DSMC方法的压力边界条件实现

  篓!墨墨：兰!里竺塑!苎些竺墨呈竺竺鱼三垒!墨!!旦型!!：兰』鳖[ 文章编号]1001—246x(2004)04—0316—05D SM C方法的压力边界条件实现王沫然，王金库，李志信( 清华大学工程力学系，北京100084)[摘要]提出了一种实现D sM c压力边界条件的新方法，新方法不但可以避免传统“ 通量法” 造成的计算发散问题，又较之“ 人口平均法” 有更快的收敛速度．使用这种方法，对不同压差驱动下等壁温微通道内的气体流动进行了模拟，并与传统的基于连续介质假设的滑移理论所得结果进行了比较．[ 关键词]压力边界条件；微流动；D sM c[ 中图分类号]041；TKl 6；V211[ 文献标识码]AO引言近年来，微电子...

  篓!墨墨：兰!里竺塑!苎些竺墨呈竺竺鱼三垒!墨!!旦型!!：兰』鳖[ 文章编号]1001246x(2004)04031605D SM C方法的压力边界条件实现王沫然，王金库，李志信( 清华大学工程力学系，北京100084)[摘要]提出了一种实现D sM c压力边界条件的新方法，新方法不仅能够尽可能的防止传统“ 通量法” 造成的计算发散问题，又较之“ 人口平均法” 有更快的收敛速度．使用这种方法，对不同压差驱动下等壁温微通道内的气体流动进行了模拟，并与传统的基于连续介质假设的滑移理论所得结果进行了比较．[ 关键词]压力边界条件；微流动；D sM c[ 中图分类号]041；TKl 6；V211[ 文献标识码]AO引言近年来，微电子机械系统( M EM s) 得到了特别的重视和发展，并带动了许多相关学科从传统的常规尺度向微细观尺度发展 2J ．M EM s发展对微尺度流动和换热机理研究的迫切需求推动了微尺度流动和微尺度换热的发展，并使之成为了近期的研究热点 4-．对于大多数微流动系统，由于系统特征尺度( f) 的减小，使得流体(特别是气体)的平均自由程(A)与之相比不可忽略．根据努森数的定义=A／z，流动可大致分为4个区：(鼢0．01)为连续流区；(0．01O ．1)为滑移区；(0．1勋10)为过渡区；(10)为自由分子流区．当砌0．01时，连续介质假定不再成立，尽管滑移区的流动仍旧能通过壁面滑移修正使得连续介质运动方程得到近似解，然而在过渡区和自由分子流区，基于连续介质的模拟方法会带来非常大的偏差．Bi rdbo提出的直接模拟M onte cado(DsM c)法是解决0．1的流动的一种基于分子运动和统计规律的有效方法，它在超高速稀薄气体的研究中得到了验证，近年来，一些学者也成功的将DsM c应用在M EM s的高速流动中 61．在常规尺度的模拟中，DSM C主要用来求解一些高速或超高速的流动，边界条件一般会用无穷远处来流的速度边界条件，由于在超音速流动中，下游的流动状况对上游没影响，因此在出口边界上也能够使用均匀速度的简单处理办法来进行求解．这种边界的选取已经被绝大多数的DSM c研究者所采用．另一种成功的做法是在出流边界上赋以“ 真空” 边界条件，这种处理方法所得的结果也得到了实验的验证 8] ．然而，在M EM s中所遇到的流动通常都是通道内亚音速的流动，而且实验所能测得的宏观量通常是压力和温度等，因此，采用传统的无穷远处速度边界条件所得到的结果难以直接与实验结果相对比．Ikegaw a等旧 和N ance等n叫提出了一种压力边界的处理方法，在入口边界上采用“ 通量法” 来计算粒子的分布速度，这种方法的缺点是程序处理上很复杂，且容易发散；kou和Fan一11。发展了这种方法，采用在人口处统计平均的方法分布粒子，程序处理比较简单，但收敛速度较慢．本文在此基础上，提出一种新的压力边界处理方法，新方法避免了发散的产生，而且计算收敛性有所提高．本文还使用新方法对微通道内的压力驱动流进行了模拟，并在滑移区内与已有的解析解进行了对比．1压力边界在传统的DsM c模拟中，正常的情况下已知条件为无穷远来流温度r。，来流数密度n。和来流速度y。，其中在微尺度条件下，n。和y。很难通过实验给出，因此本文假设当前的边界条件为人口压力P。出口压力P。和入口温度E。．[ 收稿日期] 2003一0328；[ 修回日期】2003一l o17[ 基金项目] 国家自然科学基金( 批号：59995550- 2) 及国家重点基础研究发展规划( 批号：G 1999033106) 资助项目[ 作者简介] 王沫然( 1977一) ，男，吉林省吉林市，博士，主要是做M EM s及微尺度流动换热模拟． 万方数据万方数据