基于非结构网格离散统一气体动理学格式的热驱流动数值研究

发布时间：2021-03-03 00:03

　　非均匀温度场驱动的非平衡气体流动是一类在稀薄或者微尺度条件下的特有现象。因为产生这类流动不需要维持外力或者压力差,也不需要运动部件,因此在诸多工程领域（尤其是微电子机械系统）中有其独特优势。使用数值方法研究这类热驱流动及其产生作用力的机制可以为更好地为利用这类流动的工程应用提供理论指导意义。随着计算机性能的持续提高（尤其是内存空间的增长）,近年来基于直接离散求解气体动理学方程的数值方法开始被广泛应用于低速非平衡流动的数值模拟,其中离散统一气体动理学格式（Discrete Unified Gas Kinetic Scheme,DUGKS）是一种可以高效模拟全流域（整个努森数范围）气体流动的新方法。然而DUGKS还缺乏针对不同类型非平衡流动的系统性验证,另外DUGKS在模拟低Kn数流动时的优势相比非标准网格LBM方法有待详细分析。另外,作为一种有限体积方法,DUGKS的网格灵活性可以在非结构网格上充分体现。基于上述背景,本文工作发展了非结构网格DUGKS,研究了DUGKS在模拟低Kn数流动时的特性,并应用非结构网格DUGKS在整个Kn数范围内研究了几类典型的热驱流动（包括热蠕流动和radi... 

【文章来源】：华中科技大学湖北省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校

【文章页数】：159 页

【学位级别】：博士

【部分图文】：

不同类型的热驱流动和由其产生的作用力示意图

为了更好地指导设计 MEMS 器件设计以及解释自然界或者实验室条件下的热驱非平衡气体流动（如图1-2），有必要从理论角度或者使用数值方法研究解释各种热驱流动机理。MEMS 系统中气体流动的特征尺寸如管道截面大小、缝隙宽度、或者运动部件截面尺寸通常小至微米甚至亚微米量级，开始接近甚至小于在大气压力条件下的气体分子平均自由程 ( nm)。因而分子之间的碰撞相比分子与固壁之间的碰3

(c) (d)图 2-17 不同时刻沿着计算区域水平中心线上的温度 (a)、水平速度分量 (b)、压力 (c) 和 Ma数 (d) 的分布。力相对变化并不大，所以网格布置较为稀疏。而管道中由于两侧压力比较高，因此在膨胀过程早期流场变化也较为剧烈，所以布置的网格也较密。管道及方腔 A 中的最小网格单元尺寸远大于高压腔内气体分子的平均自由程。在连续流区域仍然使用如此稀疏的网格的正确性是由 DUGKS 的渐近保持性质所保证的，比如文献[75,76]。考虑到方腔 中气体处于高度非平衡状态，我们在整个计算区域使用 个在区间w w w w均匀速度网格点并使用 Newton-Cotes积分公式计算速度矩。离散速度网格的范围比之前的顶盖驱动方腔流设得更大是考虑到在膨胀早期管道内会出现超音速流动。我们先定义流场变化特征时间为c w，然后分析在演化时刻c


本文编号：3060203