气固界面相互作用的研究

【摘要】气固界面相互作用是重要的力学问题之一,其研究具有重要的学术价值,与之密切相关的固壁边界条件以及Kn层效应在微尺度流动理论研究中至关重要,在异相催化、晶体生长等众多工程技术领域以及微管道流动中也有着重要的应用价值。本文通过数值计算和理论分析的方法在分子尺度上对气固界面相互作用进行研究,完善稀薄气体动力学理论框架。本文首先采用分子动力学(MoleculeDynamics,MD)方法研究了气体分子在壁面的散射特性。为了缩减计算时间,采用CUDA(ComputeUnifiedDeviceArchitecture)架构编写了基于GPU(GraphicProcessingUnit)的MD并行程序。测试表明,最高加速比约89倍,这使得直接从分子尺度数值模拟气固相互作用成为可能。进而,利用此程序计算了平衡状态下氩气(Ar)在金属铂(Pt)表面的散射特性,并与传统散射模型结果进行比较。结果表明,现有的散射核模型虽然能保证气体反射速度分布函数与MD计算结果一致,但速度分布云图却存在较大差别。传统模型中固定的调节系数不足以描述复杂的气固相互作用,为此,我们提出修正的CLL模型,其中的壁面调节系数随入射速度变化而变化。对轴对称驻点流动的计算表明,修正CLL模型与直接MD模拟结果吻合。直接验证散射核存在诸多困难,本文针对体积力驱动微尺度Poiseuille流动,采用直接模拟蒙特卡洛(DirectSimulationMonteCarlo,DSMC)方法研究了散射核的影响。结果表明,散射核对Kn层流动分布影响至关重要。基于简单的镜面反射、漫反射的Maxwell模型存在单一的调节系数,无法描述Kn层内压力的非单调变化;而Maxwell-Yamamoto模型以及CLL模型由于存在两个调节系数,恰当的取值使其能够正确捕捉到Kn层效应,也使其成为目前广泛使用的散射核模型。然而调节系数的取值一直是其困难所在。本文提出的修正CLL模型给出了调节系数随入射分子速度变化的表达式,一方面为常规模型选取调节系数提供了依据,另一方面再次说明固定的调节系数难以完全刻画气固交界面相互作用的影响。修正CLL模型预测的宏观量分布在Kn层中变化更为剧烈,定性合理,更能反映真实壁面对气体流动的影响。最后,在更大尺度下,也即连续流理论框架下,将散射核转化为边界条件,研究了Burnett以及SuperBurnett方程等高阶连续模型对体积力驱动微尺度Poiseuille流动Kn层效应的捕捉能力。利用流动横向变化相对较小的特征,得到了宏观量分布的近似解析解。结果表明,以DSMC计算结果为标准,原始的高阶连续模型能得到相同的速度以及压力分布,但温度分布存在显著差异。为此,本文提出了高阶本构关系的Kn层修正,其中包含的系数与固壁散射核密切相关。修正后近似解析解不论是速度、压力还是温度分布,在Knudsen数不超过0.5时均与DSMC结果吻合。值得特别指出的是,这是首次由连续模型在较大Knudsen数范围内给出与分子运动论相符的温度分布。
【作者】宋诚谦；
【导师】尹协振；秦丰华；
【作者基本信息】中国科学技术大学，流体力学，2014，博士
【关键词】气固界面相互作用；分子动力学算法；CUDA；直接模拟蒙特卡洛方法；Bumett/SuperBurnett方程；Kn层效应；

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