發(fā)布時間：2020-08-04 12:38

【摘要】：隨著科技的進(jìn)步和納米技術(shù)的發(fā)展,各種微納器件的應(yīng)用越來越廣泛。很多微納器件內(nèi)都涉及氣體的流動。由于特征尺度很小,受壁面作用和稀薄效應(yīng)的影響,微納尺度通道內(nèi)的氣體流動有別于宏觀流動,基于宏觀流動理論得到的各種結(jié)論將不一定正確,這會極大影響儀器的測量精度。因此,非常有必要研究微納尺度下氣體流動的特性,本文主要從這方面開展工作。當(dāng)通道尺度較小時,壁面附近的氣體會出現(xiàn)偏離平衡態(tài)的情況,從而在壁面上會出現(xiàn)速度滑移現(xiàn)象,這對流動影響非常大。本文采用分子動力學(xué)方法研究光滑壁面和粗糙壁面下的速度滑移現(xiàn)象,考慮了Poiseuille流和Couette流兩種流動。對于光滑壁面的Poiseuille流動,首先研究了不同驅(qū)動壓力、密度、溫度和流固作用強(qiáng)度對速度滑移的影響。得到驅(qū)動壓力越大,速度滑移越大,且呈線性增長趨勢;速度滑移隨密度的增大而減少,并且得到速度滑移隨Kn的增大而增大;在小密度時,溫度越大,速度滑移越大;速度滑移隨著流固作用強(qiáng)度的增大先不斷減少,后有所增加。其次研究多個因素的組合對速度滑移的影響,得到了在不同密度、溫度、流固作用強(qiáng)度下,速度滑移均隨著驅(qū)動壓力的增大而增大;在研究不同溫度下速度滑移隨著密度變化時得到,在較小密度情況下,速度滑移隨著溫度的增加而不斷增大,但當(dāng)密度較大時,速度滑移隨著溫度的增大而減小;研究不同流固作用強(qiáng)度下密度對速度滑移的影響時得到了流固作用強(qiáng)度較小時,速度滑移隨著密度的增大而不斷減少,當(dāng)流固作用強(qiáng)度較大時,隨著密度的增大產(chǎn)生了負(fù)滑移;當(dāng)繼續(xù)增大流固作用強(qiáng)度,在小密度的情況下,速度滑移有所增加;對于密度較大時,流固作用強(qiáng)度的增加幾乎不影響速度滑移的大小;還得到了流固作用強(qiáng)度較小時,速度滑移隨著溫度的增大而增大,流固作用強(qiáng)度較大和溫度較低時,氣體分子出現(xiàn)凝聚,導(dǎo)致速度滑移變大。對于光滑壁面的Couette流動得到的結(jié)論基本和Poiseuille流動一致。關(guān)于粗糙壁面的研究,首先提出了粗糙壁面的虛擬壁面方法,得到相同條件下虛擬壁面的模擬結(jié)果和真實(shí)壁面的模擬結(jié)果吻合,但是模擬效率提高了200多倍。然后用該方法對兩種流動的粗糙壁面進(jìn)行了速度滑移的研究,分別從不同粗糙元的縱橫比、間距和高度進(jìn)行研究。對于不同粗糙元的縱橫比、間距、高度,兩種流動的結(jié)果符合得比較好。兩種流動的速度滑移都是隨著粗糙元縱橫比的減少而增大,隨粗糙元間距的增大而增大,隨粗糙元高度的增大而減少。
【學(xué)位授予單位】：中國計(jì)量大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：O64
【圖文】：

中國計(jì)量大學(xué)碩士學(xué)位論文的學(xué)者，關(guān)注的也是流場中流體速度的變化，對于速度滑移度滑移的定義ouette流和Poiseuille流兩種不同的流體流動方式對速度滑移進(jìn).1 是二維 Couette 流動下的速度滑移的定義，由把(1-1)式 Nav算，可直接得到 Couette 流的速度滑移 us。

圖 1.1 二維 Couette 流動速度滑移示意圖圖1.2為二維Poiseuille流速度滑移的定義。在考慮速度滑移的情況下，速度分布為[55]：2212x sh dP zu uμdx h = + (1-3)上式中 μ 為粘度，h 為通道中心到壁面的距離。把(1-1)式 Navier 邊界條件代入(1-3)得到：221 22sxh dP zLuμdx h h = + (1-4)得到壁面摩擦系數(shù)如式(1-5):12 1Re1 6fsCLH=+(1-5)Re 為雷諾數(shù)，在無滑移的情況下，滑移長度 Ls為 0，所以(1-3)中的 us項(xiàng)和(1-4)中的最后一項(xiàng)都不存在，流體變?yōu)槌Ｒ?guī)流動，壁面摩擦系數(shù) Cf為 12/Re。5

圖 1.3 流動區(qū)域劃分及相應(yīng)的控制方程納尺度流動研究方法尺度下流體流動研究方法也分為三大類：實(shí)驗(yàn)研究，理論研究和與宏觀研究方法相同。往往是發(fā)現(xiàn)一個新現(xiàn)象及其相關(guān)的規(guī)律的基礎(chǔ)，但由于微納尺度尺度效應(yīng)，給實(shí)驗(yàn)研究帶來極大挑戰(zhàn)�，F(xiàn)有研究微納尺度流體流包括了 AFM，NFVL，SFA，PIV 技術(shù)等，但是這些實(shí)驗(yàn)儀器的精微納尺度的要求，并且實(shí)驗(yàn)所依賴的模型幾乎都是假想的，所以大的誤差，這也是微納尺度下實(shí)驗(yàn)研究匱乏的原因，即使有部分的方式來研究微納尺度的流動特性，不僅存在較大的誤差，而且交界面上的特性。研究是實(shí)驗(yàn)和模擬的基礎(chǔ)，通過建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，求解模型揭示相關(guān)物理現(xiàn)象。但是求解過程十分復(fù)雜，并且對于流固交界[25]

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本文編號：2780562