微纳通道中动量与能量协调系数的分子动力学研究

论文摘要

随着微纳尺度加工技术的飞速发展,MEMS和NEMS器件中的流动与传热问题备受关注。在微纳通道中,气体流动表现出明显的稀薄效应和壁面效应,影响气体与壁面的动量与能量交换。协调系数可以定量描述气固界面的输运现象,其数值越接近于1,气体与壁面的动量与能量交换越充分。本文利用分子动力学（MD）方法研究了切向动量、法向动量以及能量协调系数（TMAC、NMAC、EAC）随温度、壁面构型、表面粗糙度等因素的变化以及气体与壁面的动量和能量交换规律。论文利用MD方法中截断半径的概念,确定了入射分子与反射分子的状态,进而依据协调系数的定义,提出了MD方法中协调系数的统计算法。计算结果表明,壁面反射气体分子的法向动量变化是影响气体分子在壁面附近吸附时间长短以及俘获-逃逸行为的主要因素。在光滑通道中,较低的壁面温度和较强的气固相互作用势能使得气体分子的吸附时间较长,TMAC、NMAC和EAC都趋近于1;随着Kn的增大,气体流动的稀薄性增强,气体分子之间的影响逐渐减弱,气体分子的吸附时间减小,TMAC与EAC略有减小。光滑通道中的壁面具有原子尺度的粗糙度,不同的晶面构型可导致壁面附近的气固作用势能分布不同,较大的法向势能梯度使得气体与壁面的切向动量交换较为充分,TMAC较大,而较大的切向势能梯度则强化了能量交换,导致EAC增大;具有纳米尺度粗糙元的壁面能够很大程度改变壁面附近的气固势能分布,增大法向与切向势能梯度,减小反射分子的平均法向动量。随着粗糙元高度的增加,TMAC和EAC皆逐渐增大,而NMAC逐渐减小。考虑到三维MD的计算量太大,本文也采用二维MD方法模拟了协调系数。由于在EAC的定义以及壁面构造等方面与三维MD不同,二维MD计算得到的TMAC和EAC比三维结果小,通过二维与三维MD计算结果的对比分析,整理出了关联式,从而可以使用二维结果较好预测三维问题的协调系数。论文还采用DSMC和MD方法模拟了0.01 < Kn < 0.3的等温流动,将DSMC中的速度分布与滑移理论解对比修正了线性与非线性滑移模型中的滑移系数,利用MD计算得到的TMAC和速度分布修正了一阶滑移系数的表达式。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 微纳尺度气体流动与传热研究
• 1.1.2 协调系数的发展和应用
• 1.2 协调系数的研究现状
• 1.2.1 理论研究
• 1.2.2 实验研究
• 1.2.3 数值研究
• 1.3 本文研究的主要内容
• 第2章 协调系数的定义和统计
• 2.1 协调系数的定义
• 2.1.1 完全协调时反射分子的平均动量和能量
• 2.1.2 协调系数的数值范围的讨论
• 2.2 协调系数在分子动力学模拟中的统计算法
• 2.2.1 分子动力学模拟方法
• 2.2.2 算法的描述
• 2.2.3 算法的验证
• 2.3 小结
• 第3章 协调系数的三维分子动力学模拟
• 3.1 问题的提出
• 3.2 物理模型与模拟参数的确定
• 3.2.1 截断半径的选取
• 3.2.2 时间步长的选取
• 3.2.3 系统尺寸的选取
• 3.3 各种因素对协调系数的影响
• 3.3.1 温度对协调系数的影响
• 3.3.2 气固作用势能对协调系数的影响
• 3.3.3 壁面构型对协调系数的影响
• 3.3.4 壁面粗糙度对协调系数的影响
• 3.3.5 稀薄性对协调系数的影响
• 3.4 小结
• 第4章 协调系数的二维分子动力学模拟
• 4.1 二维与三维模拟的区别与联系
• 4.1.1 壁面模拟
• 4.1.2 系统参数
• 4.1.3 协调系数的定义
• 4.2 物理模型和模拟参数的确定
• 4.2.1 截断半径的选取
• 4.2.2 时间步长的选取
• 4.2.3 系统尺寸的选取
• 4.3 二维分子动力学中协调系数算法的验证
• 4.4 协调系数的二维分子动力学计算
• 4.4.1 TMAC
• 4.4.2 EAC
• 4.4.3 NMAC
• 4.5 二维与三维分子动力学模拟协调系数的关系
• 4.6 小结
• 第5章 协调系数在滑移模型中的应用
• 5.1 Knudsen 层内的流动现象
• 5.2 现有的滑移模型
• 5.2.1 线性滑移模型
• 5.2.2 非线性滑移模型
• 5.3 线性与非线性滑移模型的改进
• 5.3.1 线性滑移模型的改进
• 5.3.2 非线性滑移模型的改进
• 5.4 小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 主要结论
• 6.2 下一步工作的展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果