Исследование газовых микротечений в переходной области на основе моментных уравнений тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.17 ВАК РФ

На правах рукописи

Тимохин Максим Юрьевич

ИССЛЕДОВАНИЕ ГАЗОВЫХ МИКРОТЕЧЕНИЙ В ПЕРЕХОДНОЙ ОБЛАСТИ НА ОСНОВЕ МОМЕНТНЫХ УРАВНЕНИЙ

Специальность 01.04.17 — химическая физика, горение и взрыв, физика экстремальных состояний вещества

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва 2014 } 6 ш ш

005553325

005553325

Работа выполнена на кафедре молекулярной физики физического факультета Московского Государственного Университета имени М. В. Ломоносова.

Научный руководитель: кандидат ф.-н. наук, доцент

Иванов Игорь Эдуардович

Официальные оппоненты: Бочаров Алексей Николаевич,

д. ф.-м. наук, зав. отделением магнитоплазменной аэродинамики и МГД преобразования энергии Объединенного института высоких температур

Фридлендер Оскар Гавриилович,

к.ф.-м.н., доцент, ст.н.с. Центрального аэрогидродинамического института им. Н.Е. Жуковского

Ведущая организация: Институт теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича СО РАН.

Защита состоится октября 2014 г в час. ЪОм ин. на заседании диссертационного совета Д 501.002.01 при Московском государственном университете имени М. В. Ломоносова по адресу: 119991, ГСП-1, Москва, Ленинские горы, д.1, стр. 2, физический факультет МГУ, СФА.

С диссертацией можно ознакомиться в Отделе диссертаций Научной библиотеки МГУ имени М.В. Ломоносова (Ломоносовский просп., д.27)

Автореферат разослан « ^¡ЪР2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

кандидат физико-математических наук Лаптинская Т. В.

РАН

Общая характеристика работы

Актуальность работы

В настоящее время активно развиваются технологии, связанные с разработкой микро-электро-механических систем (MEMS) для широкого спектра применений, в том числе и устройств, в которых реализуются микро- и нано-течения [1]. Вопросами течений среды на микро- и нано-уровнях занимается специальный раздел газодинамики, а именно: газодинамика микро- и нано- течений.

Течения газа в миниатюрных устройствах имеют часто малую скорость, малое число Рейнольдса и являются при этом неравновесными (разреженными) течениями. Это связано с тем, что газодинамические потоки, заключенные в объемах с малыми геометрическими размерами, проявляют особые свойства, отличные от свойств течений в больших масштабах. В качестве примеров таких особых свойств, связанных с эффектами разреженности, можно указать, например, возникновение слоя Кнудсена вблизи стенок, парадокс Кнудсена при течении в канале (зависимость массового расхода от числа Кнудсена, имеющая экстремум (минимум)), несовпадение направления вектора теплового потока с направлением, противоположным градиенту температуры, тепловое скольжение вблизи поверхности.

Такое уникальное поведение разреженных (неравновесных) течений может быть использовано при создании устройств с новыми возможностями (например: насос Кнудсена - компрессор, не имеющий движущихся частей).

/ .

Сь

„ я я

Кп = — = —

I в

Критерием, с помощью которого можно судить о появлении существенных в данном течении эффектов разреженности, служит такой параметр подобия течения, как число Кнудсена Кп:

О)

а '

Число Кнудсена показывает, находится ли газ в локальном термодинамическом равновесии с точки зрения средней длины свободного пробега X и характерного масштаба длины Ь для рассматриваемой системы. В определяющем число Кнудсена соотношении Q - величина макропараметра, представляющего интерес в данном течении: давление, температура или плотность. I - пространственное направление наибольшего возрастания.

Одна из главных проблем для описания течения газа заключается в том, что замкнутого макроскопического описания (подход, не включающий в себя кинетический уровень описания газа) течения не существует. Наибольшие сложности в макроописании течения проявляются по мере приближения средней длины свободного пробега молекул к характерным линейным размерам газодинамической системы, что влечёт за собой всё больший уход от равновесного распределения молекул по скоростям. Отсутствие термодинамического равновесия означает, что линейные соотношения для вязких напряжений и тепловые потоки (то есть соотношение Ньютона и соотношение Фурье), которые используются в системе уравнений Навье-Стокса (НС), не являются справедливыми.

Обычно для описания течения газа в "нормальных" условиях используется континуальное описание среды (модель сплошной среды), основанное на уравнениях НС. Однако с условиями прилипания газа на

стенке эта модель справедлива для режимов течения, характеризуемых диапазоном чисел ЛТи<10"3 (кроме медленных неизотермических течений). По мере уменьшения характерных размеров задачи и с приближением к масштабам течений в микро- и нано-устройствах реализуется режим течения со скольжением на стенке (10"3<ЛГп<10'1). При этом течения, соответствующие начальному участку этого диапазона, могут моделироваться уравнениями НС, но с использованием модифицированных граничных условий на стенке, а именно: с условием скольжения на стенке и условием скачка температуры. При этом применение этих граничных условий не позволяет адекватно моделировать течение и теплопередачу газа в переходном режиме. В целом, и основная часть режима скольжения, и переходный режим течения от континуального к свободномолекулярному при 10"|<ЛГи<10, не могут быть адекватно описаны как течение квазиравновесной среды, то есть как течения с функцией распределения, близкой к равновесной. Также следует отметить, что большинство микро- и нано-устройств (размер которых порядка от сотен нанометров до сотен микрон) на практике работают в достаточно широком диапазоне значений чисел Кнудсена в различных частях этих устройств. Например, микросопла работают в режиме, когда в камере сгорания, трансзвуковой части и ядре потока сверхзвуковой части сопла реализуется континуальный режим течения, а вблизи стенок, на кромках среза сопла, в зонах больших градиентов ударно-волновых структур и начальной части струи реализуется режим скольжения и переходный режим. В дальнем же поле струи может наблюдаться и свободномолекулярный режим течения. Разнообразие режимов течения делает более трудным моделирование течений в таких устройствах и приводит к необходимости либо использовать разные модели среды в

разных зонах расчетной области с необходимостью сопряжения (состыковывания) разнородных решений на границах зон, либо к использованию универсальных подходов для всей задачи, что не всегда является оптимальным подходом. К таким универсальным подходам, при которых все режимы течения рассчитываются с помощью однородных кинетических алгоритмов, относятся моделирование неравновесных течений, основанное на прямом решении уравнения Больцмана [2-4] или модельных уравнений [5-9], прямой метод статистического моделирования (метод Монте-Карло) [10,11] и метод молекулярной динамики. Однако, для низкоскоростных течений газа в пространственных областях получение точного решения кинетическими методами затруднено и часто находится за пределами возможностей современных вычислительных средств (так например, методы прямого статистического моделирования Монте-Карло (ПСМ) обладают в таких условиях большим статистическим разбросом, а методы решения уравнения Больцмана и молекулярной динамики очень требовательны к вычислительным ресурсам в случае малых чисел Кнудсена). Тем не менее, отсутствие достаточного количества экспериментальных работ в области неравновесных (разреженных) течений в переходной области приводит к необходимости при разработке новых подходов к моделированию микро- и нано-течений опираться на расчеты по кинетическим моделям как на независимые тестовые примеры.

Определенной альтернативой кинетическим (молекулярным) методам при расчетах течений в переходной области являются два подхода. Первый — это группа методов макро-моделирования, то есть методов, использующих те или иные континуальные модели. К ним относятся методы расширенной газовой динамики (extended gas dynamic),

например: моментные методы [12-14], газокинетические методы [15,16] и Т.д.

Другой альтернативный путь - группа методов мезомоделирования, к которым относятся методы решетчатого газа Больцмана (Lattice Boltzmann Method) [17-19].

Оба данных макро- и мезо- подхода имеют то преимущество перед кинетическими микроподходами, что они вычислительно более эффективны. В настоящее время макро- и мезо- подходы продолжают развиваться и находятся в фокусе внимания современных работ по моделированию неравновесных разреженных течений. В данной работе мы остановимся на моментном методе.

В 1949м году Трэдом был предложен моментный метод [12,13]. С помощью уравнения Больцмана выводится система моментных уравнений, которая записывается относительно макропараметров течения газа. Такая бесконечная система уравнений оказывается эквивалентной основному кинетическому уравнению Больцмана при любом режиме течения. Для получения конечного числа уравнений необходимы дополнительные замыкающие соотношения. С помощью усечения бесконечной моментной системы в [12] Трэдом была получена система из 13 моментных уравнений.

Позже, однако, было показано, что моментный метод Трэда имеет ряд недостатков [13,20]. В случае конечного радиуса взаимодействия молекул ряд по полиномам Эрмита, представляющий функцию распределения в ударной волне, не сходится. Это приводит к появлению нефизических скачков в газодинамических параметрах в сверхзвуковых течениях при числе Маха большем, чем М= 1.65 [21,22].

В данной работе для моделирования течений газа используется регуляризированная тринадцатимоментная система Трэда (НЛЗ), предложенная в [14]. Регуляризация оригинальной системы Трэда заключалась в ином варианте усечения моментной системы. В результате этого в 13-моментной системе уравнений моменты более высокого порядка (по сравнению с плотностью, скоростью, напряжениями и тепловым потоком) были выражены через уже существующие тринадцать моментов системы уравнений (плотность, три компоненты скорости, шесть компонент симметричного тензора напряжений и три компоненты теплового потока) новым способом [14].

Постановка задачи

1. Разработка численной модели для решения системы

моментных уравнений.

2. Разработка и реализация нового метода численного

моделирования граничных условий для твердой стенки для системы моментных уравнений.

3. Исследование применимости моментных уравнений для

моделирования эффектов неравновесности (эффектов разреженности) газа.

4. Исследование появления экстремума в полной температуре в

задаче о структуре ударной волны для одноатомного газа при решении уравнений ШЗ.

5. Исследование влияния геометрического фактора и эффекта

теплового скольжения в работе газовых микро-насосов.

6. Исследование влияния эффектов разреженности на течение

газа при плазменном взрыве.

Цели диссертационной работы

Разработка и реализация численного метода для математического моделирования газодинамических течений на основе континуального подхода (метод моментных уравнений).

Исследование физических процессов, протекающих в неравновесных разреженных газовых течениях.

Исследование диапазона применимости моментных уравнений для моделирования динамики неравновесных газовых течений.

Исследование динамики газовых микро-течений при функционировании газовых микро-насосов.

Исследование влияния разреженности газа при ударно-волновых и взрывных процессах.

Научная новизна работы

В работе разработана и реализована оригинальная методика моделирования граничных условий твердой стенки с заданной температурой для системы уравнений Ш3.

Произведена оценка величины температурного экстремума в структуре ударной волны одноатомного газа для решения моментной системы уравнений ШЗ.

Проведено исследование работы микро-устройств на примере различных типов газовых микро-насосов с помощью системы моментных уравнений ЮЗ.

Исследовано влияния эффектов разреженности на газовое течение при плазменном микро-взрыве.

Научная и практическая ценность работы

Научная ценность работы состоит в детальном анализе возможности применимости регуляризированной системы уравнений ШЗ для численного моделирования и исследования для газовых течений газа как в газодинамическом режиме так и в переходном режиме. Важным результатом диссертации является исследование газовых микро-течений, возникающих в результате плазменного микро-взрыва и во время работы

микро-устройств на примере микро-насосов на основе разработанного программного комплекса.

Результаты работы могут быть применены в качестве рекомендаций при исследовании течений газ с наличием умеренной неравновесности, связанной с эффектам разреженности. Предложенный программный комплекс может быть применён и для медленных течений, и для течений, близких к гиперзвуковым.

Основные положения, выносимые автором на защиту:

1. Программный комплекс для численного моделирования течений

одноатомного газа в широком диапазоне чисел Кнудсена в двумерной постановке с различной степенью сложности геометрии на основе регуляризированной системы моментных уравнений Грэда (ЮЗ).

2. Валидация математической модели и разработанной численной

схемы на основе регуляризированной системы уравнений ШЗ для широкого диапазона газовых течений.

3. Результаты двумерного численного моделирования с

использованием моментной системы уравнений для распространения ударной волны по нестационарному газовому слою, образованному в результате плазменного микро-взрыва.

4. Исследование на основе моментных уравнений течений газа в микро-

устройствах на примере работы газовых микро-насосов.

Апробация работы

Основные результаты диссертационной работы были представлены автором на следующих конференциях, семинарах и съездах:

1. 3-я Всероссийская школа-семинар «Аэрофизика и физическая механика классических и квантовых систем» (Москва, 2009)

2. VIII Международная конференция по неравновесным процессам в соплах и струях (Алушта, 2010)

3. XVII Международная конференция по вычислительной механике и современным прикладным программным системам (Алушта, 2011)

4. 4-ая Всероссийская школа-семинар «Аэрофизика и физическая механика классических и квантовых систем» (Москва, 2010)

5. X Всероссийский съезд по фундаментальным проблемам теоретической и прикладной механики (Нижний Новгород, 2011)

6. Вторая Всероссийская школа молодых учёных-механиков «Современные методы механики» (Нижний Новгород, 2011)

7. 5-ая Всероссийская школа-семинар «Аэрофизика и физическая механика классических и квантовых систем» (Москва, 2011)

8. IX Международная конференция по неравновесным процессам в соплах и струях (Алушта, 2012)

9. XXIII Всероссийский семинар по струйным, отрывным и нестационарным течениям (Томск, 2012)

10.28th International Symposium on Rarefied Gas Dynamics (Сарагоса, Испания, 2012)

11.IX Международный Симпозиум по радиационной плазмодинамике (Звенигород, 2012)

12.6-ая Всероссийская школа-семинар «Аэрофизика и физическая

механика классических и квантовых систем» (Москва, 2012) 13.10th International Conference for Mesoscopic Methods in Engineering and Science (Оксфорд, Великобритания, 2013)

14.XVIII Международная конференция по вычислительной механике и современным прикладным программным системам (Алушта, 2013)

15.Всероссийская конференция с участием иностранных ученых «Современные проблемы динамики разреженных газов» (Новосибирск, 2013)

Список работ, опубликованных по теме диссертации:

По материалам диссертации опубликовано 6 статей в периодических изданиях из списка ВАК:

1. Тимохин М.Ю., Иванов И.Э., Крюков И.А. Применение системы моментных уравнений R13 для моделирования ударно-волновых газодинамических течений. // Вестник Московского авиационного института, 2010, т.17, №7, с. 80-87.

2. Тимохин М.Ю. Применение системы моментных уравнений R13 для численного моделирования газодинамических течений И Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, 2011, №4 (3), с. 1168-1170.

3. Ivanov I.E., Kryukov I.A., Timokhin M.Yu., Bondar Ye.A., Kokhanchik A.A., Ivanov M.S. Study of Shock Wave Structure by Regularized Grad's Set of Equations II Proc. of 28th Int. Symp. on Rarefied Gas Dynamics,

13

edited by M. Mareschal and A. Santos, Melville, New York, 2012, pp. 215-222.

4. Timokhin M.Yu., Ivanov I.E., Kryukov I.A. 2D Numerical Simulation of Gas Flow Interaction with Solid Wall by Regularized Grad's Set of Equations II Proc. of 28th Int. Symp. on Rarefied Gas Dynamics, edited by M. Mareschal and A. Santos, Melville, New York, 2012, pp. 843-848.

5. Тимохин М.Ю., Иванов И.Э., Крюков И.А. Применение системы моментных уравнений для математического моделирования газовых микротечений II Журнал вычислительной математики и математической физики, 2013, №10, том 53, № 10, с. 1721-1738.

6. Знаменская И.А., Иванов И.Э., Крюков И.А., Мурсенкова И.В., Тимохин М.Ю. Образование ударно-волновых структур от наносекундного разряда в гелии И Письма в ЖТФ, 2014, том 40, №. 12, с. 81-87.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении изложено обоснование актуальности темы диссертационной работы, научная новизна и практическая значимость, сформулированы цели и основные задачи исследования, а также изложены положения, выносимые на защиту.

Первая глава содержит обзор литературных данных по теме диссертации.

Раздел 1.1 содержит обзор кинетических численных методов исследования

динамики разреженного газа, представленных численным решением

полного и модельного кинетического уравнения Больцмана, методом

прямого статистического моделирования (ПСМ, DSMC) и др. Раздел 1.2

посвящен континуальному описанию течений газа, среди которых метод

14

Чепмена-Энскога (уравнения Навье-Стокса, уравнения Барнетта и супер-Барнетта), а также моментный метод Грэда и др.

Вторая глава посвящена описанию математической модели, используемой в работе. Математическая модель представляет собой регуляризированную систему моментных уравнений Грэда ШЗ. Для моделирования взаимодействия течения газа с твердой стенкой используются кинетические граничные условия, дополненные аппроксимацией уравнений свободного течения.

Третья глава посвящена описанию численного метода для решения используемой системы уравнений и соответствующих граничных условий. Численная схема для моделирования газового течения в отсутствии взаимодействия со стенкой представляет собой явно-неявную схему Годунова повышенного порядка. Явная схема Годунова используется для аппроксимации членов системы Грэда, дополнительные члены ШЗ аппроксимируются центральноразностной схемой, релаксационные члены аппроксимируются неявной схемой. Для моделирования граничных условий на твёрдой стенке с заданной температурой получена нелинейная система уравнений, которая решается

численно итерационным методом Ньютона с обращением матрицы Якоби.

Четвёртая глава посвящена тестированию реализованного численного метода для течений в газодинамическом режиме и переходном режиме в отсутствии (раздел 4.1) и при наличии взаимодействия газа с твёрдой стенкой (раздел 4.2 и 4.3). Для тестирования граничных условий в газодинамическом режиме выбраны задачи набегания сверхзвукового потока на плоскую пластину и классическое течение Пуазейля. Результаты

15

системы ШЗ сравнивались с решением уравнений пограничного слоя и аналитическим решением соответственно.

Для тестирования работы программы для моделирования свободного течения в переходном режиме были произведены расчёты структуры ударной волны (подраздел 4.1.1) для широкого диапазона чисел Маха при различных моделях межмолекулярного взаимодействия для линейного и нелинейного вариантов системы уравнений-ШЗ. Решение системы ШЗ позволяет получить гладкую структуру ударной волны при числах Маха, больших, чем М=1.65, в отличие от решения оригинальной тринадцатимоментной системы Грэда (рис.1). Полученные результаты были сравнены с экспериментальными данными и данными метода ОБМС. Сравнения показали, что данная система уравнений позволяет получить хорошие результаты для умеренных чисел Маха и удовлетворительные результаты при гиперзвуковых значениях числа Маха. В ходе тестирования на данной задаче было подтверждено появление экстремума в полной температуре при числе Маха М>3.9. В то же время величина этого экстремума оказывается сильно завышенной при приближении числа Маха к М=10.

Рис. 1. Профиль плотности максвелловской модели взаимодействия молекул при М=1.5 (а), 2.0 (Ъ), 3.0 (с) и 4.0 (с1).

Далее было проведено тестирование математической модели и численного алгоритма на задаче дифракции ударной волны на области термической неоднородности (подраздел 4.1.2). Для тестирования работы граничных условий на твердой стенке были решены задачи о канальных течениях Пуазейля и Куэтта (подразделы 4.3.1 и 4.3.2 соответственно), а также течение газа в каверне при переходном режиме (подраздел 4.3.3). Проведённые тесты доказали возможность применения реализованного численного метода для исследования газодинамических течений при числе Кнудсена Кп<0.5.

Пятая глава диссертации посвящена исследованию образования ударно-волновых структур от наносекундного разряда в гелии (рис. 2,3). Плазменный взрыв о прохождения разряда моделировался энерговкладом при задании начального распределения газодинамических параметров.

Density

Experiment

Рис.2. Образование полуцилиндрических ударных волн субмиллиметрового диаметра (верх) и фотоизображение каналов разряда (низ).

улу/УЛУЛ/ЛУЛУА ' \Д \ \ \ \ \

R13

Experiment

Рис. 3. Сравнение численного результата системы ЮЗ (верх) с экспериментальным теневым изображением (низ).

В ходе исследования было показано, что разработанный программный

комплекс позволяет получить на начальной стадии эволюции течения

температурьг ближе к экспериментальным значениям, нежели уравнения

Навье-Стокса. При детальном сравнении профилей температуры на ранних

моментах времени развития возникающего в результате плазменного

взрыва микроканалов ударно-волнового течения, присутствует разница в

результатах ЮЗ и уравнений Навье-Стокса в области начального

энерговклада (на субмикросекундном масштабе времён). В силу этого

было проведено сравнение на этих временах результатов системы ЮЗ и

18

уравнений Навье-Стокса с результатами, полученными с помощью модельного уравнения Шахова и метода ШК8 при числе Кнудсена Кп=0.1. Данное сравнение показало, что моментный подход в данном случае адекватней описывает начальный этап развития данного течения после плазменного взрыва, где существенно начинает сказываться кинетические процессы в газе, которые лучше описываются системой ШЗ, нежели системой уравнений Навье-Стокса.

Шестая глава диссертации посвящена исследованию функционирования микро-устройств на примере работы различных трёх типов газовых микронасосов. Первым исследуемым течением является плоское двумерное течение умеренно разреженного максвелловского одноатомного газа в замкнутой области, представляющей собой два резервуара, соединённых каналом (рис. 4). В резервуарах поддерживаются постоянные температуры 300 и 500 К соответственно в левом и правом. Температура стенки канала так же как температура объема газа в канале изменяется линейно по х.

3

-I

■1

Рис. 4. Постановка задачи для Рис. 5. Линии тока газа в верхней половине

одноступенчатого насоса Кнудсена. области при установившемся течении.

В силу достаточной разреженности газа на начальном этапе при наличии градиента температуры [23,24] возникает течение в сторону более нагретого сосуда. При этом течение обусловлено лишь градиентом

т,=зоо к

Т2-500 К

температуры (градиента давления на начальном этапе развития течения нет). В дальнейшем за счёт этого течения происходит постепенное перетекание газа в горячий резервуар, и появляется градиент давления, который в свою очередь является причиной возникновения течения в направлении, противоположном изначальному направлению тока газа в канале. В результате формируется достаточно сложная структура течения. На рис. 5 представлена общая картина линий тока для установившегося течения.

Для двух таких же резервуаров из предыдущей задачи были аналогично проведены расчёты для случая мембраны, то есть системы одинаковых эквидистантных каналов, соединяющих два данных сосуда с различными температурами. На рис. 6 представлена картина линий тока для такого случая в верхней половине расчётной области (линии тока и распределение давления в стационарном случае) для ЛГ«=0.40, рассчитанного аналогично предыдущей задаче.

Рис. 6. Линии тока газа при установившемся течении в случае нескольких каналов.

Рис. 7. Линии тока в пятиступенчатом насосе Кнудсена при установившемся течении.

Помимо одноступенчатого насоса Кнудсена был рассчитан пятиступенчатый вариант насоса в плоской постановке (рис. 7) при числе

20

Кнудсена Кп = 0.50 (по полуширине узкой части канала). Начальное распределение температуры представлено на рис. 8. Это же распределение температуры поддерживается на стенке в процессе всего счёта. Линии тока полученного в результате установления стационарного решения представлены на рис 7. С помощью такой конфигурации каскадов было получено следующее распределение давления вдоль оси симметрии задачи (рис. 9). При такой геометрии устройства и таком режиме течения отношение давлений в двух крайних резервуарах оказывается около двух. В работе [25] это же отношение, полученное с помощью численного решения кинетического уравнения Больцмана, оказывается равным 2.5. Однако в работе [25] задача решалась в цилиндрической трёхмерной

поставке. Отличие оказывается равным приблизительно значению что

п

соответствует отношению площадей квадратного и круглого сечения узкой части устройства.

200

I--1—

4

х, тт

х, тт

Рис. 8. Начальное распределение температуры в пятиступечатом насосе Кнудсена.

Рис. 9. Распределение давления вдоль линии симметрии области в пятиступенчатом насосе Кнудсена.

В заключении сформулированы основные результаты и выводы диссертационной работы.

Основные результаты и выводы

В ходе данной работы был предложен и реализован численный метод решения системы моментных уравнений ЮЗ для двумерного нестационарного случая. Предложенный численный метод представляет собой вариант явного метода Годунова повышенного порядка точности с использованием линейного восстановления параметров течения на расчетном слое. Конвективные потоки консервативных переменных через грани контрольного объема рассчитываются с помощью приближенного по методу НЬЬ решения задачи Римана. Диффузионные потоки определяются с помощью конечноразностного подхода. Для аппроксимации системы уравнений по времени используется модифицированный явно-неявный метод Рунге-Кутты 2-го порядка. В работе предложена новый метод моделирования граничных условий на твердой стенке.

Было проведено детальное тестирование численного метода на ряде широко известных задач (структура ударной волны для широкого диапазона чисел Маха, взаимодействие ударной волны с термической неоднородностью, набегание сверзвукового потока на плоскую пластину, течения Куэтга и Пуазейля в переходной области, течение в каверне)

Анализ численных результатов системы ШЗ показал, что данная система уравнений позволяет моделировать ряд основных эффектов разреженности

(тепловое скольжение, парадокс Кнудсена, тепловой поток, не обусловленный градиентом температуры).

Результаты численного моделирования течений плотного и умеренно разреженного газа, представленные в данной работе демонстрируют адекватность данной математической модели и численного метода для моделирования как течения со свободными границами, так и при наличии взаимодействия газа с твёрдой стенкой в широком диапазоне чисел Кнудсена (от газодинамического режима при числе Кнудсена Кп->«> до переходного режима течения при Кп ~ 0.5 ). Таким образом, этот метод оказывается приемлем, как для континуального, так и для переходного режимов течения газа. В ходе решения предложенных задач удалось показать преимущество системы ШЗ по сравнению с оригинальной системой Трэда и уравнениями Навье-Стокса с условиями проскальзывания и температурного скачка на стенке.

На примере микро-насосов продемонстрирована возможность исследования с помощью системы ШЗ газовых течений в микроустройствах. Получены физические характеристики газодинамических течений во время работы различных типов микро-насосов.

Моделирование развития ударно-волнового течения после плазменного микро-взрыва в гелии показало возможность применения данной модели для исследования плазменного микро-взрыва. В ходе исследования было продемонстрировано, что использование для моделирования подобных сильно не равновесных течений с помощью моментной системы ШЗ оказывается более предпочтительно, нежели использование для этого классических уравнений Навье-Стокса. Благодаря применению моментного метода были получены газодинамические параметры (на

23

примере температуры) данного течения ближе к эксперименту, нежели при использовании классических уравнений.

Литература

1. Karniadakis G„ Beskok A., Alum N. Microflows and Nanoflows Fundamentals and Simulation. New York: Springer, 2005.

2. Cercignani C. The Boltzmann Equation and its Application. New York: Springer-Verlag, 1988.

3. Аристов B.B., Черемисин Ф.Г. Консервативный метод расщепления для решения уравнений Больцмана // Журн. вычисл. матем. и матем. физики. 1980. Т. 20. № 1.С. 191-207.

4. Черемисин Ф.Г. Консервативный метод вычисления интеграла столкновений Больцмана // Доклады РАН. 1997. Т. 357. №1. С. 53-56.

5. Bhatnagar P.L., Gross Е.Р., Krook М.А. A Model for Collision Processes in Gases // Phys. Rev. V. 94. 1954. P. 511-525.

6. Shakhov E.M. Generalization of the Krook kinetic equation // Fluid Dynamics V. 3. 1968. P. 142-145.

7. Ларина И.Н., Рыков B.A. Расчет плоских течений разреженного газа при малых числах Кнудсена. // Журн. вычисл. матем. и матем. физики. 1996. Т. 36. №12. С.135—150.

8. Титарев В.А. Численный метод расчета двухмерных нестационарных течений разреженного газа в областях произвольной формы // Журн. вычисл. матем. и матем. физ. 2009. Т. 49. № 7. С. 1255-1270

9. Elizarova T.G., Shirokov I.A., Montero S. Numerical Simulation of Shockwave Structure for Argon and Helium // Phys. Fluids. 2005. V. 17. 068101.

10.Bird G.A. Molecular Gas Dynamics and The Direct Simulations of Gas Flows. Oxford: Oxford University Press, 1994.

11 .Ivanov M.S. et al SMILE System for 2D/3D DSMC computations // Proc. of 25th Int. Symp. on RGD, ed. by M.S. Ivanov and A.K. Rebrov, Publishing House of the SB RAS, Novosibirsk, 2007, P. 539-544.

12 .Grad H. On the Kinetic Theory of Rarefied Gases // Comm. Pure Appl. Math. 1949. V. 2. P. 331-407.

13.Коган M.H. Динамика разреженного газа. М.: Наука, 1967.

14.Struchtrup Н., Torrilhon М. Regularization of Grad's 13-moment equations:

Derivation and linear analysis // Phys. Fluids. 2003. V.l5. P. 2668-2680. 15 Juti K., Huang J.C. A Unified Gas-kinetic Scheme for Continuum and Rarefied

Flows //J. Comput. Physics. 2010. V. 229. P. 7747-7764. 1 в.Пао W., Peng Y„ Luo L-S., Xu K. Modified Gas-kinetic Scheme for Shock Structures in Argon // Progress in Сотр. Fluid Dynamics. 2008. V. 8. №1-4. P. 97-108.

17. Tang G. H., Zhang Y.H., Emerson D.R. Lattice Boltzmann Models for Nonequilibrium Gas Flows // Phys. Rev. 2008. E. 77. 046701.

18.Perumal D.A., Krishna V., Sarvesh G., Dass A. Numerical Simulation of Gaseous Microflows by Lattice Boltzmann Method // International Journal of Recent Trends in Engineering. 2009. V. 1. № 5. P. 15-20.

19.Chen S„ Doolen G.D. Lattice Boltzmann Method for Fluid Flows // Annu. Rev. Fluid Mech. 1998. P. 329-364.

20.Holway L.H. Existence of Kinetic Theory Solutions to the Shock Structure Problem // Phys. Fluids. 1964. V. 7. № 6. P. 911-913.

21.Grad H. The Profile of a Steady Plane Shock Wave Comm. // Pure Appl. Math. 1952. V. 5. №3. P. 257-300.

ll.Torrilhon M., Struchtrup H. Regularized 13-moment Equations: Shock Structure Calculations and Comparison to Burnett Models // J. Fluid Mech. 2004. V. 513. P. 171-198. 23.Сивухин Д.В. Термодинамика и молекулярная физика. Москва:

ФИЗМАТЛИТ, 2005. 24.Sone Y. Molecular Gas Dynamics: Theory Techniques and Applications. Birkhauser, 2007.

25.Dodulad O.I., Ivanovo I.D., Kloss Yu.Yu., Shuvalov P.V., Tchremissine F.G. Study of Gas Separation in Micro Devices by Solving the Boltzmann Equation //AIP Conference Proceedings. 2012. V. 1501. P. 816-823.

Подписано к печати р.,О9.14-_

Тирт Зиз _

Отпечатано в отделе опергг-ино» пензтя еркзнчесхопэ (раку-льтстл МГУ