基于离散统一气体动理论格式的微尺度流动研究

摘要

微型设备内部通常具有很高的表体积比，流动区域可以覆盖连续流域、滑流流域甚至过渡流域，捕捉微流动中的多尺度流域流动特性是一大难题。目前大部分模拟算法仅在特定流域内经济有效，无法在精度与效率方面同时满足微流动工程实际需求。为有效解决微尺度流动中捕捉多尺度流域流动特性这一难题，本文在离散统一气体动理论格式（DUGKS）基础上，进一步建立了含力项DUGKS与双分布 DUGKS两大模型，进行了模型验证，开展了等温微通道流动特性、微喷管流动特性及推进性能的研究。
　　针对等温低速微流动，本文建立了含力项等温 DUGKS模型，分析了等温微通道流动。模拟了压力驱动的长微通道流，模拟结果与DSMC结果及实验值吻合较好，验证了编制程序的正确性。进而模拟了全流域下恒外力驱动的微通道流动，研究结果表明，随着克努森数(Kn数）升高，气体稀薄效应增强，滑移速度逐渐增大，并且质量流率出现了拐点。模拟结果与参考解基本吻合，验证了模型的正确性，同时也表明了模型能够胜任全流域的模拟。
　　针对变温高速微流动，在等温 DUGKS模型基础上，本文进一步建立了含总能分布函数的双分布 DUGKS模型，研究了微喷管的流动特性及推进性能。分析了背压及器壁黏性对微喷管流动特性的影响，出口存在背压时会引起气体分流及回流，还会产生不同强度的压缩-膨胀波，采用无黏器壁时会减少该波动效应。进一步分析了入口压力、微喷管尺寸、入口温度对微喷管推进性能的影响，增大入口压力、微喷管尺寸可获得更大的推力，更高的比冲；增大入口温度，虽然可以获得更高的比冲，但牺牲了推进效率。研究结果表明，可通过Kn数表征微喷管的推进性能，通过调整入口压力、喷管尺寸、入口温度获取较小的Kn数，可以获得更好的推进性能。

目录

第1章 绪论

1.1研究背景及意义

1.2微流动国内外研究现状

1.3 DUGKS发展历程与研究现状

1.4主要研究内容

第2章 DUGKS基本理论

2.1 Boltzmann 模型方程

2.2 DUGKS算法概述

2.3速度边界

2.4本章小结

第3章 微流动的DUGKS模型构建

3.1含力项等温DUGKS模型

3.2双分布DUGKS模型

3.3受力项离散

3.4边界条件

3.5本章小结

第4章 等温微通道流动模拟

4.1压力驱动的长微通道流动

4.2恒外力驱动的微通道流动

4.3本章小结

第5章 微喷管流动模拟

5.1模型参数设置

5.2模型验证

5.3微喷管内部流场分析

5.4微喷管推进性能分析

5.5本章小结

结论

参考文献

攻读硕士期间发表的论文及研究成果

声明

致谢