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1、·第卷增刊工程热物理学报,年月,直接模拟蒙特卡罗方法在微通道流动模拟中的应用‘‘“王娴王秋旺陶文栓郑平西安交通大学能源与动力工程学院陕西西安香港科技大学机械系,香港。本。摘要直接模拟蒙特卡罗方法是一种求解稀薄气体流动换热新的数值方法文采用该方法对数跨越速度滑移区和过渡区的三个微通道内的流动进行了数值模拟,给出了通道内速度、压力及局部阻力系数的变化曲线为了表明通道横,。,,纵比对流动的影响。还对每个算例在不同的横纵比下进行了比较结果表明微通道内的流动特性不仅与数有关而且与通道的横纵比也有很大的关系。。关键词直接模拟
2、蒙特卡罗微通道数横纵比中图分类号文献标识码文章编号一一一刃入一一认叭认叭叭厄五正处毕了刀。,。刀,阴为,艺亡执,以亡。刀几矛刀左,加厂人凌亡乡口肠妙叮助召苏月田助初一,铭,,,,即数来引言特征尺寸之间的比值大小区分气,。体的稀薄程度即。入其中入表示气,。随着微电子机械系统一体粒子的平均自由程代表问题中的特征尺寸,,在各个领域的应用日益广泛按照数的大小可以将气体的流动传热问题分为一”,,一研究微尺度下的气体流动与传热特性目前已成为一以下几个区域连续介质区。,一”一,门十分活跃的课题但是处于微尺度下稀薄气体的方程适用
3、速度滑移与温度,一,,流动与传热特性已明显不同于宏观尺寸下的气体跳跃区过渡区这一区域,,它不满足常规的连续介质假设所以不能用基于连的流动与传热问题的处理是颇为困难的通常用一一。,、、续介质假设的方程来求解人们根据气体粒子些简化的方法如矩法模型方程法分区法等求得问题的近似解,工程计算中则常用的平均自由程长度与所研究的传热或流动问题中的一些半经验性的一一一收稿日期修订日期。今基金项目国家重点基础研究发展规划资助项目,,,,一主要从事传热强化和计算传热方面的研究作者简介王娴女吉林吉林人硕士研究生工程热物理学报卷,,。,
4、。关系式自由分子区此时问题的处的研究手段本文将在三个数下对两单方,理较过渡区容易该区域内流动与传热问题的求解向上无限长平行平板组成的微通道中的亚音速流用需依靠分子动力论方法。方法进行流动的数值计算,指出微通道内雷。。方法即诺数与阻力系数的变化关系为了表明通道长度对流动换热,直接模拟蒙特卡罗方法就是基于稀薄气体流动的数的影响本文还对每个数下的微通道在三个横纵比下进行计算比较。旨在找出影值模拟研究的需要发展起来的一种计算气体流动与传热问题,响微通道内处于滑移区和过渡区的气体流动换热的的方法是由等人在年代提。出的闭该方
5、法在本质上与其它求解流动传热问题主要因素。的方法有很大的不同,它是在微观层次,上直接从,,物理问题描述分子运动的机理着手以分子运动论为依据用有限,两单方向上无个仿真模拟分子代替大量的真实气体分子通过跟限长平行平板组成的微通道示于踪,记录各个仿真分子的状态图,通道尺寸见表。表中为通道的仿真分子的运动轨迹,,,参数最后将这些仿真分子做统计平均从而得到气横纵比其中为一个模拟分子代表的实际,,几七口压比,体宏观的状态参数的一种方法整个模拟是一个时分子数为进出表明流体在通道。,。间过程内的被压缩程度为出口二方向流体速度从的
6、关键技术在于在一定的时间间隔,,,、内将分子的迁移运动与分子间碰撞的解祸处理即表可以看出工况处于滑移区工况工况将分子的迁移运动视为匀速直线运动,该分子在给处于过渡区。定的时,将该位置间步长内运动到了一个新的位置,的坐标记录将所有仿真分子的迁移运动计算完之,,,后再在各个网格内抽取碰撞对进行碰撞计算在二。几碰撞的过程中不考虑分子的迁移运动为了保证分‘‘‘价,子运动与碰撞的解祸计算的时间步长应远小于气体分子的平均碰撞时间。方法的具体实施细节见文献同。图微通道示意图方法也有其自身的缺陷,由于网格尺寸很小,导致其,,。网
7、格数量过大模拟分子数过多一般本文计算工质为氮气来流速度为,,,每个网格中至少要安排、个模拟分子才能得到温度为压力为一个大气压通道正确结果,并且其时间步长很小以至流动达到稳态上下壁温为。计算中,进出口采用宏观有的时间很长。种种原因导致其计算量过大,计算时流量通量的流体边界条件分子与上下壁面的碰撞,,,间过长使得对计算机水平要求很高而使得它的采用漫反射模型反射分子速度满足麦克斯韦速度深入发展受到限制。实践证明,该方法对于处于过分布,温度为完全热适应,即反射分子温度与壁面渡区与自由分子区的流动传热问题是一种极为有效温度
8、相同分子间的作用势采用可变硬球模表微通道尺寸及计算结果工况拼网格模拟分子数尹儿、,上习匕一﹄了习,,,尸匕任一︺︶斤了只乙︵凡︶,,义又,,︶,,义增刊王娴等直接模拟蒙特卡罗方法在微通道流动模拟中的应用型,时间步长取为一。局部雷诺数二与局部速度分布的比较。由图可见,随着数的增大,,阻力系数人的计算方法如下速度分布形线变得越来越扁平同时由于数的增,大而引起的速度滑移增大当地
