微小尺度下气体流动与换热的格子Boltzmann模拟

作     者：周畅 

作者单位：大连理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：左建国

授予年度：2019年

学科分类：080701[工学-工程热物理] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：微尺度 格子Boltzmann方法 管束绕流 速度滑移 温度跳跃 

摘      要：随着科学技术的进步和现代工业的发展,机械设备逐渐向着小型化、智能化的方向发展,微机电系统（MEMS）应运而生,近年来在航空航天、生物医学、汽车工程、光电等领域得到广泛的应用,具有美好的应用前景。在家用空调领域,小管径换热器由于其相对较低的制造成本和较高的紧凑性,引起大量的关注。但是当管径逐渐减小时,一些在宏观尺度下可忽略的微尺度效应需要被考虑。格子Boltzmann方法作为一种介观数值模拟方法,具有边界条件处理简单,程序易于实现等优势,在气体微流动与换热领域逐渐得到广泛应用。本文首先基于小管径换热器,采用双分布函数热模型,研究外掠单管和管束的流动与换热现象。对于单管的模拟,随着Re数的增加,流体绕流圆管从稳态流动到逐渐发生脱体到最后出现非稳态的流动,产生卡门涡街,并且随着Re数的增加,换热逐渐增强。对于顺排管束与叉排管束,研究了管间距为1.5D,2D和2.5D的情况,在Re=40时,随着管间距的增加,平均Nu数呈现上升的趋势,并且管间距为2D和2.5D时换热趋势大致相同,Nu数相差较小,叉排管束由于没有前排管束的直接遮挡,使得换热情况优于顺排管束。当管径小于65μm时,会出现微尺度效应,流动和传热规律与常规尺度不同,此时必须考虑速度滑移和温度跳跃现象。本文随后对微通道滑移区气体的流动与换热问题展开分析,采用了新的边界处理格式,即平衡态与镜面反射相结合的边界,以捕捉固体边界处的速度滑移与温度跳跃,并采用该边界格式模拟分析了二维Poiseuille流和Couette流,研究结果表明光滑微通道内Poiseuille流和Couette流,在壁面处气体的速度与温度均与壁面的速度与温度存在偏差,即产生了速度滑移与温度跳跃现象,并且随着Knudsen数的增加,气体的稀薄效应更加显著,气固界面处的速度滑移与温度跳跃逐渐增加,相对滑移长度与温度跳跃长度也相应增加,同时摩擦阻力逐渐减小。在微尺度下,即使粗糙度很小,在边界处引起的扰动也会影响整个通道的流动与换热情况。本文最后模拟粗糙壁面Poiseuille流并与光滑情况进行对比,结果表明粗糙度的存在增加了气体与壁面的作用强度,使得能量交换增强,减弱了壁面处的速度滑移与温度跳跃,并且随着粗糙元高度的增加,相对速度滑移与温度跳跃长度均减小。