工程热物理所微尺度流动模型研究取得进展

　　随着现代微加工技术的飞速发展，微型化、便携化已经成为了机械设备发展的主要趋势之一。以MEMS为代表的微型化产品层出不穷，其中一些产品已出现在人们的日常生活中，并逐渐影响着人们的生活方式。目前微加工技术的发展水平已经远远超过了人们对微尺度下物理规律的认识水平，由于缺乏微观物理规律上的指导，现有的微型设备基本上都是根据设计经验进行设计的，因此在性能和效率两方面都不尽如人意，这也是MEMS发展的主要瓶颈。

　　流动现象普遍存在于微型机械内部，大部分微型设备就是利用流体的流动特性进行工作的，如微喷、微泵、微阀和各种微型能源动力系统等。微型设备内部通常具有很高的表面体积比，流动可以覆盖连续介质领域、滑流领域甚至过渡领域。随着Knudsen数升高，微尺度流动表现出明显不同于宏观流动的特性，比如壁面处会出现速度滑移和温度跳跃，流动的压缩性变得更加显著，摩擦系数和雷诺数的乘积不再是常数，压力驱动的无量纲流量出现了拐点等。当流动的特征尺度减小到和可以与分子的平均自由程相比拟，流动进入过渡领域时，传统的连续介质模型（Navier-Stokes方程）已经无法正确描述流体流动的规律了，这时需要从分子动力学的层面来描述流体运动的规律，控制方程则为Boltzmann方程。但这一方程非常复杂，无论是解析的方法还是数值的方法目前都无法直接求解。虽然国际上已经发展出了一些微尺度流动的求解方法，如格子Boltzmann方程、BGK方程和Burnett方程等，但这些方法只能够处理近连续介质区域的流动问题，对过渡领域的流动无法准确描述，无法在精度、效率和稳定性方面同时满足工程实际的需求。

　　近日，中国科学院工程热物理研究所国家能源风电叶片研发（实验）中心在微尺度气体流动模型和算法方面开展了一些探索性的研究，研究人员在Boltzmann方程的基础上提出了一种描述微尺度气体流动的模型——离散速度方向模型。该模型采用离散的分子速度来描述气体运动的规律，减少了Boltzmann方程的三个动量维，从而大幅度地减少了该方程的数值计算量，实现了很高的计算效率（在连续介质领域计算量只比ns方程高出几倍，在滑流和过渡领域计算量会进一步降低）。研究人员已经采用该模型进行了微尺度流动的数值研究，验证了离散速度方向模型可以在全部流动领域内给出高精度的数值解。此外，研究人员还从数学层面证明了该模型的控制方程在全部流动领域下满足H定理（H定理为热力学第二定律向非平衡态的扩展），从物理层面证实了该模型具有内在的数值稳定基础。目前研究人员已将该模型应用至实际的工程设计研究中，开展了微型能源动力系统间隙内部流动的数值研究。

　　微尺度气体流动的模型研究及微尺度流动机理的数值研究成果已经发表在国际杂志Journal of Computational Physics 和 Modern Physics Letters B 上。相关研究也先后得到了国家自然科学基金项目“离散速度方向模型的精度和稳定性研究”和“973”项目“微型能源动力系统的基础科学问题研究”的资助。