顾娟 黄荣宗 刘振宇 吴慧英

(上海交通大学机械与动力工程学院,上海 200240)

一种滑移区气体流动的格子Boltzmann曲边界处理新格式∗

顾娟 黄荣宗 刘振宇 吴慧英†

(上海交通大学机械与动力工程学院,上海 200240)

(2016年12月18日收到;2017年4月5日收到修改稿)

针对滑移区复杂气-固边界存在速度滑移现象,提出了一种基于格子Boltzmann方法的非平衡态外推与有限差分相结合的曲边界处理新格式.该格式具有可考虑实际物理边界与网格线偏移量的优势,较传统half-way DBB(di ff usive bounce-back)格式更能准确反映实际边界情况,同时还可获取壁面处气体宏观量及其法向梯度等信息.采用本文所提曲边界处理格式模拟分析了滑移区气体平直/倾斜微通道Poiseuille流、微圆柱绕流和同心微圆柱面旋转Couette流问题.研究结果表明,采用曲边界处理新格式所得结果与理论值以及文献结果符合良好,适用于滑移区气体流动的复杂边界处理,且比half-way DBB格式具有更高的精度,较修正DBB格式具有更好的适应性.

曲边界,格子Boltzmann方法,滑移区,微气体流动

1 引言

随着微机电系统(micro-electro-mechanical system,MEMS)技术在生物医疗、信息通讯及国防军工等诸多领域的逐步应用,微尺度条件下新的物理现象引起了越来越多学者的重视[1,2].其中对于微尺度气体流动[3,4]问题,因气体分子平均自由程λ与特征尺寸H两者数量级相当,气体稀薄效应已不可忽略.气体稀薄程度可用Knudsen数表示,Knudsen数(Kn)的定义为Kn=λ/H.滑移区(0.001 6 Kn 6 0.1)气体在气-固边界处将出现明显的速度滑移现象,基于连续介质假定的Navier-Stokes方程……