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    188宝金博页面版: 微通道稀薄气体流动换热特性的研究

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    内容提示： ( E 辑 )第 33 卷 第 3 期SCIENCE IN CHINA ( Series E )2003 年 3 月微通道稀薄气体流动换热特性的研究*王 娴 王秋旺 陶文铨 (西安交通大学能源与动力工程学院, 西安 710049) (香港科技大学机械系, 香港) 郑 平摘要 用直接模拟 Monte Carlo 方法对处于 Kn = 0.05~1.0 范围下的微通道内气体的换热特性进行了分析研究, 结果给出了不同 Kn 数壁面热流密度的变化曲线以及同一工况下壁面总的热流密度与局部热流密度随进口流速的变化曲线. 结果表明, 微通道内的换热主要集中在进出口处, 中间部分的换热很微弱, 其换热特性...

    文档格式：PDF | 页数：6 | 浏览次数：47 | 上传日期：2015-12-31 23:05:57 | 文档星级：
    ( E 辑 )第 33 卷 第 3 期SCIENCE IN CHINA ( Series E )2003 年 3 月微通道稀薄气体流动换热特性的研究*王 娴 王秋旺 陶文铨 (西安交通大学能源与动力工程学院, 西安 710049) (香港科技大学机械系, 香港) 郑 平摘要 用直接模拟 Monte Carlo 方法对处于 Kn = 0.05~1.0 范围下的微通道内气体的换热特性进行了分析研究, 结果给出了不同 Kn 数壁面热流密度的变化曲线以及同一工况下壁面总的热流密度与局部热流密度随进口流速的变化曲线. 结果表明, 微通道内的换热主要集中在进出口处, 中间部分的换热很微弱, 其换热特性与 Kn 数及通道的横纵比有很大的关系, 进口流速对总的换热量影响不大, 但却改变了局部热流密度的分布.不同横纵比下通道内气体温度关键词 微通道 Kn 数 直接模拟 Monte Carlo 流动与换热研究流体的流动换热情况既可以从宏观的角度进行分析也可以从微观层次上着手. 随着近几年来微电子机械系统(MEMS)的飞速发展, 研究流体在微尺度下的流动与换热特性已势不可挡[1]. 此时, 微尺度下的流体已不满足连续介质的 Navier-Stokes 方程, 而与其对应的是Boltzmann 方程. 对此, 人们根据 Knudsen 数 Kn 的大小将气体分为几个区域[2], Kn 数表征了气体的稀薄程度, 定义为Knλ=式中, λ 表示气体粒子的平均自 由程, L 代表问题中的特征尺寸. 通常当 Kn > 0.1 时, Navier-Stokes 方程就已不再适用 , 而应从分子层次上研究其本身的运动并统计出其宏观特性. 但是根据人们现有的知识, 要得到该区域控制方程(即 Blotzmann 方程)的解析解是相当困难的. 为此, 基于稀薄气体流动的数值模拟研究的需要, Bird 等人[3]在 20 世纪 60 年代提出了一种计算气体流动与传热问题的方法, 即直接模拟 Monte Carlo (direct simulation of Monte Carlo, DSMC)方法. 实践证明, 该方法对于研究稀薄气体的流动传热问题是一种强有力的工具[4].本文将在 Kn 数为 0.05~1 的范围内, 对两单方向上无限长平行平板组成的微通道中的亚音速流用 DSMC 方法进行换热情况的研究. 为了表明通道长度对流动换热的影响, 本文对每个 Kn 数下的微通道在几个可以实现的横纵比下进行了计算比较. 旨在揭示微通道内气体的换热特性及其主要影响因素./ ,L(1)1 数值方法简介DSMC 方法发端于分子动力学, 并不直接求解 Boltzmann 方程, 而是仿真该方程所描述的物理过程. DSMC 方法用有限个模拟分子代替大量的真实气体分子, 在一定的时间间隔内将分子的迁移运动与分子间的碰撞解耦处理, 通过直接跟踪模拟分子的运动, 记录各个模拟分子的状态参数, 最后将这些仿真分子做统计平均, 从而得到气体宏观状态参数的一种方法,整个模拟是一个时间过程. 气体的运动完全是杂乱无章的布规律 DSMC 方法就是要从这些分布规律中随机抽样出气体分子的某种状态参数, 从而达到统计宏观量的目 的. 为了实现碰撞对的选取是在最相邻的两个分子之间进行的, DSMC 方法随机的, 但是它却满足一定的分 2001-06-18 收稿, 2001-10-09 收修改稿* 国家重点基础研究发展规划项目 (批准号: G2000026303)和国家自然科学基金资助项目 (批准号: 9995460-2)

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