微尺度氣體流動(dòng)特性研究.pdf

1、近二十年來(lái)，微加工技術(shù)得到長(zhǎng)足發(fā)展，制作出各種微器件，并與測(cè)量、控制電路集成，形成微電子機(jī)械系統(tǒng)，顯示出了美好的應(yīng)用前景。為了更好的應(yīng)用微電子機(jī)械系統(tǒng)，必須研究微系統(tǒng)的特性及其與宏觀尺度問(wèn)題的異同，微尺度流動(dòng)就是其中的重要內(nèi)容之一。本文采用多種方法，著重討論微尺度氣體流動(dòng)的特性。 微系統(tǒng)特征尺度一般為微米量級(jí)，其中的氣體流動(dòng)具有較大的Knudsen數(shù)Kn，稀薄氣體效應(yīng)顯著。更重要的是經(jīng)典流體力學(xué)的根基——連續(xù)介質(zhì)假設(shè)可能失效，因

2、而必須采用新的方法研究微流動(dòng)。 本文首先采用直接模擬蒙特卡羅(DirectSimulationMonteCarlo，DSMC)方法探討微流動(dòng)的一般特性。提出了延拓網(wǎng)格方法處理壓力驅(qū)動(dòng)的亞聲速流動(dòng)壓力邊界條件在DSMC中的實(shí)現(xiàn)問(wèn)題，并以之模擬了較大Kn范圍的微管道流動(dòng)、Couette流動(dòng)和后臺(tái)階流動(dòng)。結(jié)果表明稀薄氣體效應(yīng)導(dǎo)致固壁邊界存在速度滑移，質(zhì)量流率變大；Kn越大，稀薄氣體效應(yīng)越強(qiáng)烈。小橫向尺度還導(dǎo)致了很高的粘性耗散，驅(qū)動(dòng)流動(dòng)

3、需要很高的壓差，密度變化劇烈，盡管流動(dòng)速度及Mach數(shù)Ma都很小，可壓縮效應(yīng)仍然不可忽略，壓力沿管道非線性下降。當(dāng)壁面等溫時(shí)，流場(chǎng)的溫度變化很小。即使進(jìn)口溫度與壁面溫度不同，熱交換也僅在進(jìn)口附近明顯，管道大部分區(qū)域溫度變化仍可忽略。對(duì)于滑移流動(dòng)和自由分子流，只要保證Kn、Ma相同，常溫常壓條件下的微尺度流動(dòng)與低密度大尺度流動(dòng)間就具有良好的相似性；而對(duì)于過(guò)渡領(lǐng)域流動(dòng)，還必須保證溫度相同，或者尚存在一個(gè)與溫度相關(guān)的相似參數(shù)。詳細(xì)討論了微尺度

4、后臺(tái)階流動(dòng)，其臺(tái)階Reynolds數(shù)Re是控制流動(dòng)結(jié)構(gòu)的重要參數(shù)，給出了回流區(qū)長(zhǎng)度與Re間的擬合關(guān)系；當(dāng)Re很小時(shí)，臺(tái)階后的同流區(qū)將消失。 稀薄氣體流動(dòng)與連續(xù)流的界限通常是模糊的，NS方程或連續(xù)介質(zhì)假設(shè)的失效問(wèn)題，是微流動(dòng)研究的重要內(nèi)容。尋求NS方程盡可能準(zhǔn)確的解，是解決這個(gè)問(wèn)題的基礎(chǔ)。本文第二部分即基于此對(duì)微管道流動(dòng)展開(kāi)。首先在等溫假設(shè)條件下，從NS方程及涓移條件推導(dǎo)出封閉的控制方程組，并求得近似解析解，著重分析了壁面滑移速度

5、及質(zhì)量流率。進(jìn)一步，放棄等溫假設(shè)，采用漸近方法直接求解無(wú)量綱化的NS方程。等溫條件作為零階解得到，并給出了高階修正。同時(shí)還證明流動(dòng)量以細(xì)長(zhǎng)比的平方ε2為尺度變化。但是，上述漸近解對(duì)流動(dòng)參數(shù)的要求很嚴(yán)格，限制了其在相對(duì)較短管道中的應(yīng)用。為此，進(jìn)行了ε、Kn的雙參數(shù)漸近分析，求得了ε《Kn2、ε～Kn2、ε～Kn1.5三種情況下直至O(Kn2)量級(jí)的各階解。與DSMC比較，漸近分析結(jié)果能夠應(yīng)用于短管道。討論了微管道流動(dòng)的流場(chǎng)分布、質(zhì)量流率、