用GDQ方法模拟微尺度库埃特流动研究

探讨了一种在MEMS中常见的流动系统,对N-S方程加以改进,建立相应的理论模型.采用广义微分积分方法(GDQ)进行流场数值模拟,并用蒙特卡洛直接模拟方法(DSMC)来加以验证.结果表明:新建理论模型的模拟结果与D6MC模拟结果基本吻合.该理论模型可以模拟滑移区和过渡流动区的气体流动;GDQ方法程序简单,计算成本低.     

基于Boltzmann矩方程的扩展速度滑移边界条件

针对半空间流,从R13矩方程出发,基于壁面附近Knudsen层外Knudsen层的修正效应近似为零的条件,理论推导得到等温情形下扩展的速度滑移边界条件.该速度滑移边界条件的滑移系数是不固定的,不仅与气流的努森数有关,还与壁面适应系数有关.以微Poiseuille流为例,分析扩展的速度滑移边界条件的适用性.研究表明,在近过渡流区,扩展的速度滑移边界情形下的质量流率与基于Boltzmann-硬球分子模型方程的结果更为接近,优于现有文献中的速度滑移边界条件.当努森数为1时,扩展的速度滑移边界条件情形下的气流速度与直接模拟Monte Carlo(DSMC)模拟结果之间的差别仍然较大.     

耗散粒子动力学的一种新的固体壁面边界条件

由于耗散粒子动力学（DPD）粒子间是软势作用,很难施加无滑移的固体壁面边界,为此提出一种新的固体壁面边界条件,该方法是通过给壁面粒子赋予相对流体粒子的虚拟速度,但壁面粒子不能移动,虚拟速度用于计算壁面粒子对流体粒子的耗散力,进而增大流体粒子的耗散阻力,实现壁面无滑移条件.利用新的边界模型模拟了微通道内的Poiseuille流动,得到的微通道内的速度分布曲线表明,该模型实现了壁面无滑移条件;得到的密度和温度分布曲线显示,壁面附近密度波动很小,但当壁面粒子密度大于8.0时,壁面附近流体粒子密度波动较大.模拟结果与Navier-Stokes方程理论解吻合很好,进一步验证了新边界的可行性和DPD程序的正确性.     

进出口方式和槽道形状对微散热器内流量分配与传热的影响

为得到散热效果比较好的等截面矩形微散热器,设计了不同的进出口布置方式和不同的进出口槽道形状,并采用数值模拟的方法对微散热器内流量分配和传热特性进行了研究.结果表明进出口布置方式对微散热器内通道流量分配有很大影响:进出口槽道形状为矩形的微散热器流体流动分布较好;三角形槽道微散热器流体流动分布相对较差,其流动机理可归结为分流与摩擦阻力的相互作用;I型矩形槽道微散热器无论是传热性能还是流阻特性均优于C型及Z型微散热器,具有优越的强化传热特性,能满足高热流密度的微电子器件的冷却需求.     

基于LBM的槽道流直接数值模拟

采用格子波尔兹曼方法(Lattice Boltzmann Method,LBM),进行了槽道流动的直接数值模拟.与经典的KMM结果比较了边界层速度型、均方根速度、雷诺应力分布以及槽道流中心区的能谱,结果表明LBM具有足够的精度模拟边界层的发展以及壁面存在对流动的影响.文中的研究表明,LBM有望用于风洞洞壁干扰的数值模拟修正.     

双分散多孔介质平板微通道中的气体滑流分析

基于双速度Brinkman-extended Darcy动量模型,分析了气体在双分散多孔介质(BDPM)平板微通道内的强迫对流及其稀薄效应对流动阻力的影响.当孔隙流体在双分散多孔介质内作高速流动时,f相和p相流场相互耦合,且本质上受四阶微分方程控制.采用正常模式降阶法导得原控制方程的二阶解耦形式及其速度分布解析解.计算结果表明,随着稀薄效应的增强,滑移速度增大而流动阻力减小.     

室内空调系统中空气流动的CFD研究

室内环境质量受到越来越多的重视。室内环境质量包括声环境、光环境、热环境和室内空气质量(IAQ)。室内空气质量(IAQ)会影响建筑物内部人群的工作效率和健康状况。开发了一种计算流体力学(CFD)软件,并用来模拟了几种典型的室内空调系统中的气体流动。这些算例能够用来改进和优化空调系统部件的设计。CFD软件模拟算例的结果图显示了流动的压力分布和速度场。采用有限体积法Ni格式求解N.S方程,并为更好地模拟粘性流动,使用了k-ε湍流模型。     

圆形微通道内压力驱动流的边界滑移效应及动电效应

采用层流Navier-Stokes方程和离子分布Boltzmann方程建立圆形微通道内压力驱动流的数学模型,分别采用Navier滑移条件和电流密度平衡条件描述微流动边界速度滑移和动电效应,应用有限元法分析边界效应对微流动的影响。结果表明:微流动受边界效应的作用不容忽视,圆形微通道边界滑移效应对流动有促进作用而动电效应有阻滞作用;当微通道内同时存在2种边界效应时,边界滑移效应对流动的影响随着壁面ζ电势的增大而逐渐减弱,在高壁面ζ电势时影响甚微,几乎可以忽略。     

二维微流道电渗-压力驱动流流动特性解析解分析

用Poisson-Boltzmann (P-B)方程、外加电场的Laplace方程和描述电渗-压力驱动流流场分布的N-S方程,求解了电渗-压力驱动流流场的无量纲速度的近似解析解,以及电渗-压力驱动流与压力驱动流壁面剪切力比.定量研究不同电荷浓度、外加电场强度、zeta电势以及单位压降对流场无量纲速度分布的影响。研究表明:对于在较低雷诺数下的微细流道内流动,双电层的电粘效应确实可以引起壁面剪切应力的增大,随着沿程压降的增大,电粘效应的重要性相对减小,但仍然对流动具有较大影响,双电层电粘效应的存在是微细管道内流动特性与传统理论存在差异的原因之一。     

微尺度下速度滑移对空气静压导轨性能影响

为了阐释空气静压导轨气膜间隙处在微小尺度所体现的特性,引入气体稀薄效应中的速度滑移算法到Navier-Stokes方程,推导出体现微尺度条件下空气膜流动特点的雷诺方程,进而对气膜内的压强分布进行了仿真分析,根据得到的压强分布计算气膜承载力和刚度随气膜厚度变化的规律,通过试验对得出的结论进行了间接验证,与分析结果吻合.