عنوان پایان‌نامه
مدلسازی جریان های گاز درمقیاس میکرو ونانو بااستفاده از روش شبیه سازی مستقیم مونت کارلو
- رشته تحصیلی
- مهندسی مکانیک تبدیل انرژی
- مقطع تحصیلی
- کارشناسی ارشد
- محل دفاع
- کتابخانه پردیس 2 فنی شماره ثبت: 1566;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 41563
- تاریخ دفاع
- ۱۴ مرداد ۱۳۸۸
- دانشجو
- محمود محمدی شاد
- استاد راهنما
- مهرداد رئیسی دهکردی
- چکیده
- در این پایان نامه حل عددی جریان سیال و انتقال حرارت در هندسه های مختلف میکرو و نانو با استفاده از روش شبیه سازی مستقیم مونت کارلو (DSMC) ارائه شده است. جریان سیال در میکرو- و نانوکانال های دوبعدی و نیز جریان حول یک میکرواستوانه دوبعدی شبیه سازی شده است. جریان در میکرو - و نانوکانال ها در دو حالت مافوق صوت و مادون صوت به همراه شرایط مرزی مختلف در نظر گرفته شده است. برنامه عددی مونت کارلو به صورت بی سازمان توسط زبان برنامه نویسی فُرتِرن توسعه یافته است. این برنامه توانایی شبیه سازی بسیاری از هندسه های دوبعدی (با مرزهای خطی و یا منحنی) در حالت دائمی را داراست. از جمله این هندسه ها می توان به یک میکرواستوانه دوبعدی محصور در کانال اشاره کرد که از کاربردهای آن می توان به سیم داغ در اندازه گیری های سرعت اشاره کرد. شبکه تولید شده در این برنامه در ابتدا توسط بسته نرم افزاری COMSOL Multiphysics (که یک نرم افزار تجاری جهت شبیه سازی بسیاری از سیستم های فیزیکی می باشد) تولید می شود و سپس توسط یک برنامه کامپیوتری واسط (برنامه MPC) به فرمت مناسب برای برنامه مونت کارلو تبدیل می شود. اطلاعات لازم از جمله مختصات گره ها، لیست سلول های مجاور هر سلول در برنامه واسط که توسط زبان برنامه نویسی فرترن توسعه یافته است، مشخص می شود. تاثیر عدد بی بعد نودسن بر روی خواص سیال و مشخصه های انتقال حرارت بررسی شده است. به دلیل اثرات تراکم پذیری و رقیق شوندگی، برخی خواص ویژه سیال از جمله شتاب گیری جریان در طول کانال، توزیع غیرخطی فشار و سرعت لغزشی سیال در نزدیکی دیواره در نتایج شبیه سازی مشخص شده اند. با توجه به نتایج بدست آمده، بیشترین مقدار شار حرارتی دیواره در ابتدای کانال رخ می دهد، در جائیکه دمای دیواره بیشتر از دمای توده سیال است. علاوه بر این، در حالت مافوق صوت، شار حرارتی دیواره بواسطه افت سرعت سیال به دلیل اصطکاک دیواره ایجاد می شود. در حالت مافوق صوت در میکروکانال، سازگاری مناسبی میان نتایج بدست آمده از روش فوق و کارهای تحقیقاتی دیگران مشاهده می شود. همچنین در حالت مادون صوت نیز تطابق خوبی میان نتایج بدست آمده از حل معادلات ناویر-استوکس بدست آمده است. علاوه بر این جریان سیال در حالت مادون صوت حول یک میکرواستوانه دوبعدی و محصور در کانال مستطیلی، به کمک روش شبیه سازی مستقیم مونت کارلو تحلیل شده است. سه حالت مختلف برای عدد نودسن در محدوده رژیم لغزشی تا گذرا در نظر گرفته شده است. نتایج بدست آمده از این شبیه سازی شامل توزیع عدد ماخ، فشار، دما، چگالی در اطراف میکرواستوانه و در راستای خط مرکزی کانال (y/H=0) می باشد. توزیع سرعت لغزشی بیانگر میزان لغزش بیشتر در اعداد نودسن بالاتر می باشد.
- Abstract
- The direct simulation Monte Carlo method (DSMC) was applied to simulate the fluid flow and heat transfer in multiple micro- and nanochannel geometries. Flow in two-dimensional micro- and nanochannels and over a 2D micro-cylinder in rectangular channel is considered. For the uniform micro- and nanochannel case, both the supersonic and subsonic flows have been considered. The computational unstructured DSMC code developed in FORTRAN language is capable to simulate multiple micro- and nanochannels geometries including linear and curved boundaries (for example flow over a micro-cylinder with application in hot-wire velocity measurement). The method for generating an unstructured two-dimensional grid for use with the DSMC program is by using a triangular mesh generated by the commercial software package COMSOL Multiphysics 3.3a. The interface between the COMSOL grid and the DSMC flow solver is developed by means of a short post processing script, MPC code, which has been developed to reformat the COMSOL grid structure into a form acceptable for use in the DSMC solver. The combination of the commercial grid generator and the post processing script allows for extensive geometric modeling capabilities with increased cell-spacing control, reduced grid generation time. The effect of the Knudsen number (Kn) on the flow properties and the heat transfer characteristics were investigated. Some significant flow features, such as the flow acceleration along the channel, the nonlinear pressure distribution, and the velocity slip near the wall, due to the compressibility and the rarefaction of the microflow and nanoflow were specified. Most of the wall heat flux occurs within the channel entrance region when the wall temperature is higher than the bulk flow temperature. Furthermore, in supersonic flow case, the wall heat flux is mainly caused by the deceleration of the flow due to the wall friction. In supersonic case, there is a good agreement between our results and other research works. Also in subsonic case, the results are compared with Navier-Stokes results and it can be seen that to two methods agree well with the maximum deviation in channel center
