MEMS的微管道流动特征数值模拟的研究.pdfVIP

2003空气动力学前沿研究论文集 MEMS的微管道流动特征数值模拟研究 粱杰李中华 (中国空气动力研究与发展中心超高速所，四川绵阳621000) 摘要本文用DSMC方法模拟了三种边界条件(超声速、高亚声速和压力驱动边界 下低速)二维微细管道的流场性质和热传导性质，考察了不同的Kn(滑移流区和过 渡流区)对流动特征的影响。计算结果表明：超声速条件下可以明显观察到壁面速度 滑移和温度跳跃现象；而亚声速流动沿壁面的热通量非常低，抽样得到的壁面温度与 给定的壁温基本一致；对于压力驱动边界下的低速流动，沿管道的流向速度不断加 速，压力沿流向位置非线性降至给定的出口压力值。 数值模拟DSMC方法。 关键词MEMSa微管道流动 1 引言 微机电系统(MEMS)的研究与应用领域非常广泛，但对于流体在微米尺度内的流动特征 还未得到充分的研究与认识，如谐振结构中的薄膜阻尼、质量流传感器中的热传导、微型开关 周围的非定常压力场等。MEMS设计中涉及到许多流体通过微型管道的流动，对这些流动现 象的实验与分析研究也迅速得到发展【l“J。由于MEMS装置的尺寸非常小(微米量级)，流动 的分子平均自由程与管道的特征尺寸是同量级的，尽管在标准的大气条件下，把微型管道中的 流动作为连续流现象处理也会导致错误的结果。另外，如果分子平均自由程比管道尺寸还大， 它肯定会比流动中的梯度尺度更大，导致非常大的当地Kn。传统的CFD技术用于分析 MEMS流动存在着一定的缺陷，直接模拟MonteCarlo(DSMC)方法在模拟稀薄过渡区复杂流 动方面已经取得了巨大的成功-5J，用于模拟微尺度下的流动特征具有较大的优势。 为了对MEMS中的微细管道流动特征进行细致的研究，本文用DSMc方法模拟了三种 边界条件(超声速、高亚声速和压力驱动边界下的低速)二维微细管道的流场性质和热传导性 质，考察了不同的Kn(滑移流区和过渡流区)对流动特征和传热特性的影响，揭示了MEMS 的二维微细管道流动的基本特征。 2数值模拟方法 对超声速、高亚声速和压力驱动边界下低速微管道流动进行数值模拟研究，采用的是 DSMC方法。该方法是用若干个模拟分子代替真实气体的分子，并在计算机上存贮模拟分子 的位置坐标、速度分量以及内能，这些量随模拟分子的运动、与边界的碰撞以及分子之间的碰 撞而改变，最后通过统计网格内模拟分子的运动状态实现对真实气体流动问题的模拟。模拟 中时间参数与真实流动中的物理时间等同，所有的计算都是非定常的。定常流是长时间模拟 MEMS的微管道流动特征数值模拟研究 后稳定状态的统计平均结果。该方法的关键是在时间步长△￡内将分子的运动与碰撞解耦。 在△f时间内让所有分子运动一定的距离并考虑在边界的反射，然后计算此△￡内具有代表性 的分子间的碰撞。此碰撞以及与边界的碰撞均为随机过程，其实现依赖于均匀随机数的产生。 3 DSMC计算结果与讨论 二维或轴对称微管道是常规微机电系统(MEMS)中的典型组件，因此在DSMC模拟中选 择气体在二维微管道内的流动情况进行模拟研究。计算网格采用的是二维矩形网格，网格尺 度约为分子平均自由程的一半，在每个方向上各划分两个亚网格，方便碰撞分子对在亚网格中 选取。时间步长的选取按一个时间步长内分子运动的距离约为网格尺度的一半或更小来定。 模拟中采用氮气分子(压力驱动边界情况采用氩气分子)，VHS分子模型，NTC碰撞取样技 术。对称面采用分子镜面反射模型，壁面采用完全漫反射模型。图1、图2分别给出了不同情 况下计算的初始边界条件。 入口 出口 ～≥一 图1超声速、亚声速流动计算边界示意图 进口 出口 图2压力驱动边界计算示意图 3．1超声速微管道流动的DSMC数值模拟 超声速流动模拟的是一组无限多的二维微管道的流动，在计算时选取其中的一部分，上下 两个面取为对称边界。由于微管道流动大多处于滑流区(0．01KnO．1)和过渡流区(0．1 Kn1)，因此选取K