شبیه سازی مستقیم مونت کارلو همرفت حرارت در میکرو/نانو کانال ها با دیواره شار ثابت

هدف اصلی پروژه ی حاضر تحلیل جریان رقیق شده ی گاز تک اتمی آرگون در هندسه ی دوبعدی میکرو/نانو کانال با استفاده از روش شبیه سازی مونت کارلو و بررسی رفتار هیدرودینامیک و انتقال حرارت این جریان تحت شار حرارتی ثابت دیواره است. برای این منظور ابتدا در یک کد پایه عددی dsmc، الگوریتم اعمال شار حرارتی دیواره به روش تکرار اصلاح شده گسترش داده شد و روابط لازم برای محاسبه ی تنش برشی و شار حرارتی از دیدگاه مولکولی به آن اضافه شده است. برای درنظر گرفتن دقیق تغییرات خواص جریان مثل لزجت، ضریب انتقال حرارت هدایت و عدد پرنتل جریان به صورت مولکولی، از مدل برخورد کره سخت تعمیم یافته استفاده شده است. با مقایسه ی نتایج به دست آمده بر مبنای معادلات ناویر-استوکس و روش مولکولی حاضر برای عدد نوسلت، ناکارآمد بودن اغلب این روابط تحلیلی برای پیش بینی رفتار جریان در سرتاسر حوزه ی لغزشی نشان داده می شود. البته روابطی که تاثیرات رقیق شدگی جریان، اتلافات لزج و تغییرات خواص سیال را به طور همزمان در نظر گرفته اند رفتار جریان را به درستی پیش بینی می نماید. در این تحقیق پدیده ی خزش حرارتی و تاثیر آن بر نیم رخ سرعت بررسی شده است. همچنین در ادامه تاثیر انتقال حرارت بر رفتار منحنی توزیع فشار غیرخطی کانال بررسی شده است. رفتار دبی جرمی کانال بر اساس نیم رخ سرعت و دما در بازه ی وسیعی از اعداد نودسن توجیه شده است. مطالعه دبی جرمی کانال نشان می دهد که در یک نودسن مشخص نزدیک یک، شار حرارتی دیواره تاثیری بر تغییرات دبی ندارد، در حالی که قبل و بعد از این نودسن، شار حرارتی باعث افزایش یا کاهش دبی جرمی کانال می شود. در ادامه رفتار عدد نوسلت جریان تحت تاثیر رقیق شدگی جریان و اتلافات لزجی مطالعه شده است. رفتار تکین مشاهده شده برای ضریب انتقال حرارت در شرایطی که شار حرارتی خنک کننده ی کوچکی به دیواره کانال اعمال می شود از دیدگاه مولکولی بررسی و توجیه شده است. همچنین در این شرایط انشعاب در خطوط شار حرارتی و انتقال حرارت از ناحیه سرد به گرم مشاهده شد که ناشی از تاثیرات اتلافات لزج است. وابستگی ضریب انتقال حرارت جریان به پارامتر رقیق شدگی جریان (عدد نودسن) و اتلافات لزج (عدد برینکمن) در بازه ی وسیعی از رژیم های جریان برای شار گرمایی بحث شده است. در کد محاسباتی dsmc حاضر، الگوریتم اعمال شار حرارتی دیواره ثابت به روش تکرار اصلاح و تحت همین عنوان معرفی شده است. این الگوریتم اصلاح شده مشکلات اعمال شار در شرایط بی درو را حل نموده و از سرعت بهتری نسبت به الگوریتم های قبلی برخوردار است.