微细颗粒—气体间对流传热与传质的DSMC数值模拟

摘要

通常情况下气体的性质是连续和光滑的，研究气体的流动与换热采用连续介质模型。但当研究的物体为微尺度或处于稀薄气体领域时，气体出现间断粒子效应，连续介质假设不再成立。这时必须采用分子气体动力学，或稀薄气体动力学的方法。直接模拟蒙特卡罗法(DSMC)是用有限个仿真粒子模拟真实气体分子的运动历程，通过统计每个模拟粒子的状态参数以实现对真实宏观量估计的稀薄气体动力学方法。
　　本文在验证 DSMC数值模拟可靠性与复杂问题适应性基础上，针对无相变固体微粒群与稀薄气流的对流换热、蒸发微液滴表面的气相对流传热传质两类问题，采用DSMC方法进行了数值模拟研究。基于数值模拟，分析了稀薄流和微尺度下的气相对流换热和传质特性及影响因素，考察了传统的微液滴表面对流换热计算关联式的适用性。主要研究内容包括：
　　(1) DSMC数值模拟的可靠性与复杂问题适应性研究。以气体横掠平板问题为例，通过与文献数据比较，验证了DSMC数值模拟的可靠性。在此基础上，进一步通过对高速稀薄流条件下二维曲面凹槽的过渡区流动和热特性进行数值模拟，分析了DSMC方法对复杂问题的适应性，并结合模拟分析，提出了一种能有效抑制凹槽内热流峰值及阻力峰值的不规则曲面凹槽结构。
　　(2)以纤维多孔介质与稀薄气流换热为背景，对二维圆截面无相变固体微粒群与气流的过渡区流动换热，通过编程建立随机分布的颗粒群模型，进行了DSMC模拟计算分析，获得了颗粒直径、孔隙率、来流条件等参数对换热强度、阻力的影响规律。
　　(3)针对微液滴蒸发的气相对流传热传质的微尺度效应，以等温液滴蒸发为对象，通过建立蒸发表面的DSMC边界模型、改进DSMC计算程序，对微液滴表面附近的气相传热传质过程进行了数值模拟。研究了微液滴粒径、温度以及来流参数对气相对流传热传质的影响、出现微尺度效应的条件，比较分析了传统的蒸发液滴表面气相对流传热传质计算关联式对微液滴蒸发的适用性。通过研究，获得了微液滴蒸发气相对流传热传质特性。

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第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 主要研究内容

第2章 DSMC法的基本原理及程序验证

2.1 直接模拟蒙特卡罗法的基本原理

2.2 程序验证

2.3 小结

第3章 无相变固体颗粒群的二维过渡区流动与换热

3.1 计算模型与数值方法

3.2 计算结果与分析

3.3 小结

第4章 微液滴表面气相热质输运特性模拟分析

4.1 蒸发液滴气相对流传热传质的DSMC模拟方法

4.2 数值方法与计算模型

4.3 计算结果与分析：

4.4 小结

结论与展望

1 本文结论

2 工作展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢

附录 物性参数表