شبیه سازی جریان سیال در ابعاد میکرو با اصلاح شرایط مرزی در روش شبکه بولتزمن

هدف از تحقیق حاضر شبیه سازی جریان سیال در هندسه هایی با ابعاد ریز با استفاده از روش شبکه بولتزمن و توسعه این روش برای جریان هایی با اعداد نودسن بالاست. جریان سیال در هندسه هایی با ابعاد ریز رفتار کاملا متفاوتی با جریان سیال در ابعاد معمول دارد. از جمله خصوصیات این جریان ها می توان به پدیده هایی همچون لغزش بر روی سطوح جامد و رقت گاز در طول میکروکانال اشاره نمود. با توجه به گسترش سیستم های میکرو الکترو مکانیکی در دهه های اخیر، حل عددی مسایل مربوط به میکرو و نانوجریان ها مورد توجه محققان قرار گرفته است. از آنجاییکه روش شبکه بولتزمن بر مبنای تیوری جنبشی گازها استوار است، بنظر می رسد که این روش ابزار بسیار مناسبی برای شبیه سازی این جریان ها باشد. در تحقیق حاضر ضمن بررسی توانایی مدل های مختلف ارایه شده در روش شبکه بولتزمن برای حل میکرو جریان ها، یک مدل جدید برای زمان آرامش پیشنهاد شده است. این مدل مبتنی بر اصلاح زمان آرامش بر اساس ویسکوزیته موثر سیال است که قادر به شبیه سازی جریان در رژیم های لغزشی و گذار می باشد. همچنین، مقدار لغزش محاسبه شده در شرط مرزی پخش مولکولی و شرط مرزی لغزشی- انعکاسی با استفاده از زمان آرامش جدید با مدل های مرتبه بالاتر شرط مرزی انطباق دارد. جهت ارزیابی روش حل، پروفیل سرعت جریان در یک کانال با اعمال اختلاف فشار در دو سر کانال و در گستره اعداد نودسن از 001/0 تا 10 با نتایج دیگر روش های عددی مقایسه شده است که انطباق خوبی بین نتایج وجود دارد. کاهش ابعاد کانال در حدود ابعاد مولکولی، موجب افزایش اثر نیروهای بین مولکولی جامد- سیال بر روی مولکول های سیال در نزدیکی دیواره کانال می شود، که در تحقیق حاضر این موضوع لحاظ شده است. همچنین اثر پدیده رقت در میکروکانال با رسم توزیع فشار در طول کانال نشان داده شده است. تغییرات فشار در طول میکرو کانال بصورت غیرخطی می باشد که با افزایش اختلاف فشار در دو سر کانال، میزان انحراف افزایش می یابد. از دیگر پدیده های شاخص در میکرو جریان ها در رژیم گذار، پدیده مینیمم نودسن است که با رسم نمودار دبی حجمی برحسب عدد نودسن انتهای کانال، در حدود عدد نودسن 1 مشاهده شده است. همچنین نتایج با تیوری دینامیک گازها و روش بولتزمن خطی مقایسه شده است که انطباق بسیار خوبی بین نتایج وجود دارد.