工程熱物理所微尺度流動模型研究取得進展

　　隨著現代微加工技術的飛速發展，微型化、便攜化已經成為了機械設備發展的主要趨勢之一。以MEMS為代表的微型化產品層出不窮，其中一些產品已出現在人們的日常生活中，并逐漸影響著人們的生活方式。目前微加工技術的發展水平已經遠遠超過了人們對微尺度下物理規律的認識水平，由于缺乏微觀物理規律上的指導，現有的微型設備基本上都是根據設計經驗進行設計的，因此在性能和效率兩方面都不盡如人意，這也是MEMS發展的主要瓶頸。

　　流動現象普遍存在于微型機械內部，大部分微型設備就是利用流體的流動特性進行工作的，如微噴、微泵、微閥和各種微型能源動力系統等。微型設備內部通常具有很高的表面體積比，流動可以覆蓋連續介質領域、滑流領域甚至過渡領域。隨著Knudsen數升高，微尺度流動表現出明顯不同于宏觀流動的特性，比如壁面處會出現速度滑移和溫度跳躍，流動的壓縮性變得更加顯著，摩擦系數和雷諾數的乘積不再是常數，壓力驅動的無量綱流量出現了拐點等。當流動的特征尺度減小到和可以與分子的平均自由程相比擬，流動進入過渡領域時，傳統的連續介質模型（Navier-Stokes方程）已經無法正確描述流體流動的規律了，這時需要從分子動力學的層面來描述流體運動的規律，控制方程則為Boltzmann方程。但這一方程非常復雜，無論是解析的方法還是數值的方法目前都無法直接求解。雖然國際上已經發展出了一些微尺度流動的求解方法，如格子Boltzmann方程、BGK方程和Burnett方程等，但這些方法只能夠處理近連續介質區域的流動問題，對過渡領域的流動無法準確描述，無法在精度、效率和穩定性方面同時滿足工程實際的需求。

　　近日，中國科學院工程熱物理研究所國家能源風電葉片研發（實驗）中心在微尺度氣體流動模型和算法方面開展了一些探索性的研究，研究人員在Boltzmann方程的基礎上提出了一種描述微尺度氣體流動的模型——離散速度方向模型。該模型采用離散的分子速度來描述氣體運動的規律，減少了Boltzmann方程的三個動量維，從而大幅度地減少了該方程的數值計算量，實現了很高的計算效率（在連續介質領域計算量只比ns方程高出幾倍，在滑流和過渡領域計算量會進一步降低）。研究人員已經采用該模型進行了微尺度流動的數值研究，驗證了離散速度方向模型可以在全部流動領域內給出高精度的數值解。此外，研究人員還從數學層面證明了該模型的控制方程在全部流動領域下滿足H定理（H定理為熱力學第二定律向非平衡態的擴展），從物理層面證實了該模型具有內在的數值穩定基礎。目前研究人員已將該模型應用至實際的工程設計研究中，開展了微型能源動力系統間隙內部流動的數值研究。

　　微尺度氣體流動的模型研究及微尺度流動機理的數值研究成果已經發表在國際雜志Journal of Computational Physics 和 Modern Physics Letters B 上。相關研究也先后得到了國家自然科學基金項目“離散速度方向模型的精度和穩定性研究”和“973”項目“微型能源動力系統的基礎科學問題研究”的資助。