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【6h】

多尺度微、纳米机电系统中气体流动的模型及计算方法研究

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目前，国际上对于微尺度的流动传热现象的研究已经逐渐形成一定的规模，有相当数量的实验研究以及理论分析都揭示出了微尺度能量传输的机理与传统理论有着质的差异。但是对于微尺度流动和传热理论的深层次了解尚不透彻，甚至存在着一些分歧。利用传统的连续介质力学的Navier-Stokes方程求解微尺度气体的流动和传热问题时，即使考虑有滑移的速度和温度边界条件，当Kn数增加到过渡区域时，解析结果也将产生显著差异。 本文首先通过对粘度和热传导系数在微、纳米尺度下产生变化的分析，考虑气体稀薄效应，引入广义平均自由程、广义动力粘度、广义导热系数，改进以连续介质力学为基础的微尺度气体流动和传热的模型和方法，使其可以延伸到滑移区和过渡流动区。流动系统为微库埃特流，选用单原子气体氩气作为气体介质，其分子作用势模型选用可变硬球模型(VHS)。采用广义微分积分方法(GDQ)，对所建理论模型进行数值求解，将结果与蒙特卡罗直接模拟方法(DSMC)的数值模拟结果以及参考文献值进行比较分析。结果显示：在滑移流动区，理论模型的计算结果与DSMC模型的结果以及文献值吻合情况良好，其相对误差不超过5％，但当流动处于Kn>0.1的过渡区时所建理论模型与DSMC结果以及文献值开始出现偏差，实际上也说明了通过对连续介质模型的改进不能彻底解决能量传输机理的差异。通过随着流动变得越来越稀薄，所建理论模型在高努森数情况下得不到合理的结果。 最后针对微矩形通道内气体流动特性进行实验研究。通过实验结果分析发现，对于高宽比为4的矩形微通道，实验得到的Poiseuille 数 fRe小于传统尺度下的值，偏差了约6.8～12.5％。从总体趋势上看，随着雷诺数Re的减小，进口发展段长度对于流动的影响也随之减小，从而导致摩擦阻力系数也随之减小；质量流量和压降的关系则表明了在微小尺度下通道内，稀薄效应将使通道壁面处产生速度滑移现象，导致气体流动阻力减小，在相同的压降情况下，质量流率的增加。

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