D0I:10.13374/i.i8sm1001t53.2010.03.02 第32卷第3期 北京科技大学学报 Vol 32 No 3 2010年3月 Journal of Un iversity of Science and Technolgy Beijing Mar.2010 粗糙微通道内稀薄气体流动与换热的蒙特卡洛直接模 拟 林林)王爱国2)张欣欣” 1)北京科技大学机械工程学院，北京1000832)中国科学院工程热物理研究所，北京100190 3)中国科学院研究生院，北京100190 摘要采用Delaunay三角化方法对计算区域进行网格划分，开发了适合于非结构化网格的蒙特卡洛直接模拟程序，并对程 序的正确性进行了验证·在此基础上模拟分析了粗糙元为三角形的平行平板间微通道内稀薄气体的二维流动与换热.通道 进出口压力固定，上下平板温度恒定·计算分析了粗糙元高度、宽度以及分布密度的影响·结果表明：微通道内粗糙元对流动 与换热有明显的扰动：随着粗糙元的变大，速度跳跃显著，甚至出现漩涡，增加了通道内的压力损失：但粗糙元增强了微通道 壁面与气体之间的换热。 关键词粗糙：微通道：稀薄气体：流动：换热 分类号K124 Prediction of flow and heat transfer in rough m icro channels w ith direct sim ula- tion M onte Carlo m ethod LIN Lin,WANG Ai-guo),ZHANG X inxin) 1)School ofMechanical Engineering University of Science and Technology Beijing Beijing 100083 China 2)Institute of Engineering Themophysics Chinese Acadeny of Sciences Beijing 100190.Chna 3)Gmaduate University of Chnese Acadeny of Sciences Beijing 100190.China ABSTRACT The computational danain wasmeshed by Delaunay triangulation method A M onte Carlo direct smulation program was developed for unstructured gris and its validity was checked On that case the to-din ensional flow and heat transfer of rarefied gas in parallel plate m icro"channels w ith triangular moughness elments were siulated The pressure of the m icmochannels'inlet and outet and the temperature of the plates above and below were constant The influences of the height width and distrbution density of rough- ness elem ents were computed and analyzed The results show that moughness elements in the m icm-channels can create obvious disturb- ance for the flow and heat transfer The greater the roughness elments the more visible the oscillation of velocity even vortexes oc- cur which increases the pressure loss but roughness elements can enhance the heat transfer KEY WORDS roughness m icmo-channeks marefied gas flow:heat transfer 近年来，微电子机械系统(m ic roe lectrom echani 于壁面粗糙度对流动的影响，本文主要研究了微通 cal system,MEMS)、人工超晶格、纳米材料和生物 道内的粗糙元对于通道内气体的流动和换热的影 芯片等技术的诞生和深入发展引起了人们对微细尺 响.由于尺度的微细化及介质的稀薄效应，常规的 度流动特性的关注，由于微电子系统的散热问题， 连续性方程及N一S方程等不再适用.近年来， 微通道内稀薄气体的流动成为人们十分关心的问 DSMC(direct smulation Monte Carlo)方法已经被广 题，微通道流动和换热与常规尺度的流动有较大的 泛的应用于模拟稀薄气体动力学中的问题，并取得 区别，从许多文献来看，一个很重要的原因来自 了非常好的模拟结果[6-).蒙特卡洛直接模拟方法 收稿日期：2009-10-22 作者简介：林林(1968)男，副教授，博士，Email linli@adm in ustb edu cn第 32卷 第 3期 2010年 3月 北 京 科 技 大 学 学 报 ＪｏｕｒｎａｌｏｆＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＢｅｉｊｉｎｇ Ｖｏｌ．32Ｎｏ．3 Ｍａｒ．2010 粗糙微通道内稀薄气体流动与换热的蒙特卡洛直接模 拟 林 林 1） 王爱国 2‚3） 张欣欣 1） 1） 北京科技大学机械工程学院‚北京 100083 2） 中国科学院工程热物理研究所‚北京 100190 3） 中国科学院研究生院‚北京 100190 摘 要 采用 Ｄｅｌａｕｎａｙ三角化方法对计算区域进行网格划分‚开发了适合于非结构化网格的蒙特卡洛直接模拟程序‚并对程 序的正确性进行了验证．在此基础上模拟分析了粗糙元为三角形的平行平板间微通道内稀薄气体的二维流动与换热．通道 进出口压力固定‚上下平板温度恒定．计算分析了粗糙元高度、宽度以及分布密度的影响．结果表明：微通道内粗糙元对流动 与换热有明显的扰动；随着粗糙元的变大‚速度跳跃显著‚甚至出现漩涡‚增加了通道内的压力损失；但粗糙元增强了微通道 壁面与气体之间的换热． 关键词 粗糙；微通道；稀薄气体；流动；换热 分类号 ＴＫ124 Ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎｏｆｆｌｏｗａｎｄｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｉｎｒｏｕｇｈｍｉｃｒｏｃｈａｎｎｅｌｓｗｉｔｈｄｉｒｅｃｔｓｉｍｕｌａ- ｔｉｏｎＭｏｎｔｅＣａｒｌｏｍｅｔｈｏｄ ＬＩＮＬｉｎ 1）‚ＷＡＮＧＡｉ-ｇｕｏ 2‚3）‚ＺＨＡＮＧＸｉｎ-ｘｉｎ 1） 1） ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ‚ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＢｅｉｊｉｎｇ‚Ｂｅｉｊｉｎｇ100083‚Ｃｈｉｎａ 2） ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＴｈｅｒｍｏｐｈｙｓｉｃｓ‚ＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ‚Ｂｅｉｊｉｎｇ100190‚Ｃｈｉｎａ 3） ＧｒａｄｕａｔｅＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ‚Ｂｅｉｊｉｎｇ100190‚Ｃｈｉｎａ ＡＢＳＴＲＡＣＴ ＴｈｅｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌｄｏｍａｉｎｗａｓｍｅｓｈｅｄｂｙＤｅｌａｕｎａｙｔｒｉａｎｇｕｌａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄ．ＡＭｏｎｔｅＣａｒｌｏｄｉｒｅｃｔｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｐｒｏｇｒａｍｗａｓ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄｆｏｒｕｎｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄｇｒｉｄｓａｎｄｉｔｓｖａｌｉｄｉｔｙｗａｓｃｈｅｃｋｅｄ．Ｏｎｔｈａｔｃａｓｅ‚ｔｈｅｔｗｏ-ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｆｌｏｗａｎｄｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｏｆｒａｒｅｆｉｅｄｇａｓ ｉｎｐａｒａｌｌｅｌｐｌａｔｅｍｉｃｒｏ-ｃｈａｎｎｅｌｓｗｉｔｈｔｒｉａｎｇｕｌａｒｒｏｕｇｈｎｅｓｓｅｌｅｍｅｎｔｓｗｅｒｅｓｉｍｕｌａｔｅｄ．Ｔｈｅｐｒｅｓｓｕｒｅｏｆｔｈｅｍｉｃｒｏ-ｃｈａｎｎｅｌｓ’ｉｎｌｅｔａｎｄｏｕｔｌｅｔ ａｎｄｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｆｔｈｅｐｌａｔｅｓａｂｏｖｅａｎｄｂｅｌｏｗｗｅｒｅｃｏｎｓｔａｎｔ．Ｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｓｏｆｔｈｅｈｅｉｇｈｔ‚ｗｉｄｔｈａｎｄｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｄｅｎｓｉｔｙｏｆｒｏｕｇｈ- ｎｅｓｓｅｌｅｍｅｎｔｓｗｅｒｅｃｏｍｐｕｔｅｄａｎｄａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｒｏｕｇｈｎｅｓｓｅｌｅｍｅｎｔｓｉｎｔｈｅｍｉｃｒｏ-ｃｈａｎｎｅｌｓｃａｎｃｒｅａｔｅｏｂｖｉｏｕｓｄｉｓｔｕｒｂ- ａｎｃｅｆｏｒｔｈｅｆｌｏｗａｎｄｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒ．Ｔｈｅｇｒｅａｔｅｒｔｈｅｒｏｕｇｈｎｅｓｓｅｌｅｍｅｎｔｓ‚ｔｈｅｍｏｒｅｖｉｓｉｂｌｅｔｈｅｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎｏｆｖｅｌｏｃｉｔｙ‚ｅｖｅｎｖｏｒｔｅｘｅｓｏｃ- ｃｕｒ‚ｗｈｉｃｈｉｎｃｒｅａｓｅｓｔｈｅｐｒｅｓｓｕｒｅｌｏｓｓ；ｂｕｔｒｏｕｇｈｎｅｓｓｅｌｅｍｅｎｔｓｃａｎｅｎｈａｎｃｅｔｈｅｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒ． ＫＥＹＷＯＲＤＳ ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ；ｍｉｃｒｏ-ｃｈａｎｎｅｌｓ；ｒａｒｅｆｉｅｄｇａｓ；ｆｌｏｗ；ｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒ 收稿日期：2009--10--22 作者简介：林 林 （1968— ）‚男‚副教授‚博士‚Ｅ-ｍａｉｌ：ｌｉｎｌｉｎ＠ａｄｍｉｎ．ｕｓｔｂ．ｅｄｕ．ｃｎ 近年来‚微电子机械系统 （ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉ- ｃａｌｓｙｓｔｅｍ‚ＭＥＭＳ）、人工超晶格、纳米材料和生物 芯片等技术的诞生和深入发展引起了人们对微细尺 度流动特性的关注．由于微电子系统的散热问题‚ 微通道内稀薄气体的流动成为人们十分关心的问 题．微通道流动和换热与常规尺度的流动有较大的 区别‚从许多文献来看 ［1--5］‚一个很重要的原因来自 于壁面粗糙度对流动的影响．本文主要研究了微通 道内的粗糙元对于通道内气体的流动和换热的影 响．由于尺度的微细化及介质的稀薄效应‚常规的 连续性方程及 Ｎ--Ｓ方程等不再适用．近年来‚ ＤＳＭＣ （ｄｉｒｅｃｔｓｉｍｕｌａｔｉｏｎＭｏｎｔｅＣａｒｌｏ）方法已经被广 泛的应用于模拟稀薄气体动力学中的问题‚并取得 了非常好的模拟结果 ［6--12］．蒙特卡洛直接模拟方法 DOI :10．13374／j．issn1001—053x．2010．03．023