微通道內(nèi)氣體流動滑移特性研究.pdf

1、微通道中的氣體流動是MEMS生物醫(yī)學(xué)檢測、微電子冷卻、芯片實驗室等領(lǐng)域中的關(guān)鍵熱物理過程。隨通道尺度的縮小，通道壁面面積對通道體積的比值急劇增大，這使得通道表面對微通道內(nèi)氣流流動過程的影響也愈加突出。目前，微尺度氣體流動及其滑移特性研究已成為微尺度傳熱傳質(zhì)領(lǐng)域中的前沿研究課題，具有著重要的科學(xué)研究價值。
　　 雖然目前已有一定數(shù)量的微尺度氣體流動的實驗研究報道，但是由于微尺度測量技術(shù)和實驗條件的限制，實驗結(jié)果在定性上都有一定差別

2、，難以對氣體滑移流動進行定量表征。而在數(shù)值模擬方面，格子Boltzmann方法(LBM)作為連續(xù)Boltzmann方程的一種特殊求解方法，在模擬氣體微流動中已逐漸得到應(yīng)用并可以有效捕捉邊界的滑移特性。為此，本文采用LBM對光滑與粗糙微通道內(nèi)的氣體流動進行模擬研究，揭示微通道內(nèi)氣體滑移流動機理。
　　 本文將Cantor集描述實際粗糙表面的方法引入到微通道粗糙表面形貌的構(gòu)建中，建立了基于Cantor集粗糙表面微通道內(nèi)的氣體流動模型

3、。采用格子Boltzmann-BGK方法D2Q9模型模擬光滑與粗糙二維微通道內(nèi)氣體Poiseuille流和Couette流，上下壁面采用反彈與完全漫反射的組合邊界格式，入口與出口處采用非平衡外推邊界格式與周期性邊界處理格式，主要研究了稀薄效應(yīng)、粗糙表面分形維數(shù)、相對粗糙度對粗糙微通道內(nèi)氣體流動的影響。研究結(jié)果表明:
　　 (1)在光滑微通道內(nèi)，對于氣體Poiseuille流與Couette流，壁面處氣體速度都不等于壁面速度，出現(xiàn)

4、速度滑移現(xiàn)象;
　　 (2)不管是光滑還是粗糙微通道，氣體相對滑移長度lslip隨著Knudsen數(shù)的增加而變大，微通道內(nèi)壁面對氣體流動的影響隨氣體稀薄效應(yīng)的增加而逐漸減弱;
　　 (3)與光滑微通道相比，粗糙微通道的粗糙元對局部的氣體流動產(chǎn)生了擾動，使得流體損失了一部分能量，削弱了壁面的速度滑移;
　　 (4)相對粗糙高度的增加導(dǎo)致相對滑移長度lslip變小，即壁面粗糙元高度的升高有助于增強氣體粒子與壁面的相互