微喷管与微悬梁流动及传热的DSMC模拟

摘要

自微型航天器于上个世纪末在NASA诞生至今，国内外对其研究的热度未减。在其执行轨道定位、校正以及姿态调整等任务时，微推进系统往往起到决定性作用。同时，作为微推进系统关键部件的微喷管，又主导了整个推进系统的性能。可见，微喷管设计的成功与否将显著影响到微推进系统的工作性能，从而影响到整个微航天器系统。因而，对微喷管的深入研究对优化微航天器系统将是十分必要的。
　　由于微喷管特征尺寸与气体分子自由程在同一个量级，所以一系列稀薄效应必须加以考虑。稀薄气体的流动与传热至今仍是一个较为复杂的问题，而其中问题的核心则在于过渡区域内流动的准确数值模拟。直接从Boltzmann方程出发试图进行解析求解显然是不实际的，方程右端的碰撞积分使得对该类问题数值模拟要另辟蹊径。
　　本文在总结和比较了大部分针对具有稀薄效应的气体流动传热常见仿真方法后，在算法上选择了直接模拟Monte-Carlo（DSMC）方法，采用C＃.NET与Fortran混合编程技术，编写了基于OpenMP的共享内存并行三维数值模拟程序（Hit-Micro）。工质选为Ar，气体分子在程序中采用可变硬球模型（VHS），与壁面的作用采用了完全漫反射和Maxwell反射模型，进出口采用了Garcia进口边界条件。通过对不同工况下的微喷管内流动过程仿真，研究了微尺度喷管的流动与传热特性。其中，重点讨论了出口背压、进口温度和压力、喷管尺寸以及壁面条件对流动的影响。
　　此外，利用HIT-Micro对数种微观流动进行了数值仿真，并对微悬梁结构进行了较为深入的研究，同时得出了其在自由分子流域的解析解和数值解。该解析解可直接推广至漫反射表面内的一般真空传热问题。

目录

哈尔滨工业大学研究生学位论文

DSMC Simulation of Rarefied Flow and Heat Transfer for Micronozzle and Microcantilever

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1课题背景

1.2微尺度问题及其求解现状

1.3国内外研究现状

1.4本文的主要工作

第2章DSMC方法基本原理

2.1 概述

2.2 DSMC理论基础

2.3 DSMC方法简介

2.4 DSMC误差分析

本章小结

第3章DSMC程序的实现与校验

3.1HIT-Micro的实现

3.2HIT-Micro的校验

本章小结

第4章微喷管内流动与传热的DSMC模拟

4.1常规尺度喷管流动概述

4.2微喷管流动模拟

4.3出口背压对微喷管流场的影响

4.4喷管尺寸对计算结果的影响

4.5进口条件对计算结果的影响

4.6固壁条件对计算结果的影响

本章小结

结论

参考文献

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