基于离散统一气体动理论格式的微尺度流动研究

发布时间：2021-09-01 08:08

　　微型设备内部通常具有很高的表体积比,流动区域可以覆盖连续流域、滑流流域甚至过渡流域,捕捉微流动中的多尺度流域流动特性是一大难题。目前大部分模拟算法仅在特定流域内经济有效,无法在精度与效率方面同时满足微流动工程实际需求。为有效解决微尺度流动中捕捉多尺度流域流动特性这一难题,本文在离散统一气体动理论格式（DUGKS）基础上,进一步建立了含力项DUGKS与双分布DUGKS两大模型,进行了模型验证,开展了等温微通道流动特性、微喷管流动特性及推进性能的研究。针对等温低速微流动,本文建立了含力项等温DUGKS模型,分析了等温微通道流动。模拟了压力驱动的长微通道流,模拟结果与DSMC结果及实验值吻合较好,验证了编制程序的正确性。进而模拟了全流域下恒外力驱动的微通道流动,研究结果表明,随着克努森数（Kn数）升高,气体稀薄效应增强,滑移速度逐渐增大,并且质量流率出现了拐点。模拟结果与参考解基本吻合,验证了模型的正确性,同时也表明了模型能够胜任全流域的模拟。针对变温高速微流动,在等温DUGKS模型基础上,本文进一步建立了含总能分布函数的双分布DUGKS模型,研究了微喷管的流动特性及推进性能。分析了背压及器... 

【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校

【文章页数】：74 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

微流动在MEMS中的应用

对 MAV 的深入研究有重要的指导意义。2006年NASA首次将3颗微型卫星送至太空，开展对地球磁场的研究工作，值得一提的是其SMSRA项目，宣告2030年前后将有一群微型探测器冲入木星进行探测，如图1-2 a)所示。微型发动机是微型探测器的心脏，其工质的流动、传热、能量转化过程比常规发动机更为复杂，流动机理有待进一步深入；近期纪国圣等基于变口径拉瓦尔喷管设计了一种新型微型火箭发动机，使燃气从亚声速加速至超声速，有效增大了流速与推力[2]。MAV中另一研究热点是微型扑翼，图1-2 b)所示为一仿真蝶形扑翼。目前未有成形的扑翼空气动力学理论，但随着CFD的发展，众多学者相继展开了单扑翼型、串扑翼型等相对深厚繁杂的理论及数值计算模拟研究；Minami采用IB-LBM方法，发现扑翼的前行方向由前后翼的相位角决定，并结合PID控制实现扑翼的稳定飞行

此时微小尺度研究对象仅局限于简单的圆管和圆球；同时，由于理论基于 N-S 方程，只能进行简单的流动分析。图1-3 离子蚀刻下的微喷管[9]20 世纪末，为满足 MEMS 加工技术的需求，进而开展了几何形状更为复杂的微尺度流动研究，如微槽道、微泵、微喷管、微阀门等。Bowers 基于两相对流沸腾技术设计的微通道散热器，在低压力、低质量流率下，热通量便可高达2200 w/cm ，而常规尺度下需要在大气压下才能实现较高的热通量[8]。Bayt 在研究喉径小于20μm 的喷管时，其结构如图1-3。由于面体比增大，微喷管内出现跨流域流动


本文编号：3376607