分子气体动力学.ppt

应用－真空流动 DECADE radiation test facility 应用－材料制备 3M company YBCO experiment: thin film growth 应用－其它 Volcano Prometheus on Jupiter’s moon, Io 应用－飞行器气动性能 稀薄气体效应严重影响飞行器的升阻比 应用－飞行器气动性能 气动布局依然重要 Kn=0.015, Ma=25 M=15, AoA=20? 对于物质运动的描述方法 — 连续的、确定论的方法（连续介质力学） — 离散的、概率论的方法（分子气体动力学） 相辅相成，相得益彰 总结 QA 基础知识 压力＝作用力／面积 作用力＝动量变化/时间 时间内的动量变化为所有碰撞到壁面的分子的动量变化和 考虑一容器内的静止气体，假设镜面反射， 面积的镜面在 ? 气体的分子模型与统计描述 基础知识 平动能 配分原理 ? 经典热力学的气体状态方程 气体的分子模型与统计描述 基础知识 每个分子的平动能 单位质量的平动能 定容比热 定压比热 比热比 单位质量的能量 气体的分子模型与统计描述 基础知识 动理学量　 　热力学量 气体的分子模型与统计描述 Boltzmann 方程 ? ? ? 　 动力学模型与数值模拟 Maxwell 分布的推导 平衡态分布　 碰撞改变：（二体碰撞动力学） ? ? 碰撞不变量 动力学模型与数值模拟 Maxwell 分布的推导 平衡态分布　 ? ? ? 动力学模型与数值模拟 Boltzmann 模型方程 - BGK 模型 动力学模型与数值模拟 注意，f 写成 nf 了 气体流动求解 - 求解数学方程 　　　Boltzmann方程或其模型方程 　 - 直接求解 　　　模拟大量分子运动 动力学模型与数值模拟 传统气体动力学 　　 Physical problem ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? Governing equation Numerical scheme ???????????????????????????????????? Computer simulation 动力学模型与数值模拟 分子气体动力学 　　 Physical problem Molecular model Computer simulation Flow recover 动力学模型与数值模拟 Boltzmann方程求解 - 直接求解 Boltzmann 方程 　　　 　　　线化处理、谱方法、一维流动、简单问题 　 - 求解模型方程 　　　BGK类方程 动力学模型与数值模拟 Xu 的 UGKS 格式 ? 松弛分布 平衡分布 离散 有限体积法 动力学模型与数值模拟 Xu 的 UGKS 格式 界面的精确值 宏观量的计算及更新 动力学模型与数值模拟 DSMC 方法 动力学模型与数值模拟 Boltzmann 方程 方程的矩 　 气体流动微观与宏观的内在联系 ? Boltzmann 方程 　 ? ? ? 气体流动微观与宏观的内在联系 Chapman-Enskog 展开 　 平衡态 气体流动微观与宏观的内在联系 本构关系 　 根据分子模型，可以得到这些系数的表达式 气体流动微观与宏观的内在联系 平均自由程方法 　粘性系数的估计 剪切力：单位面积的切向动量变化率 分子通过一个平面的流率 分子的单位质量动量认为来自于半个碰撞距离外的分子动量 得到 气体流动微观与宏观的内在联系 应用概述 分子气体动力学的应用 20世纪40年代，喷气技术，航天领域 —卫星和飞船再入过程、导弹防御系统、火星探测、亚轨道飞行器 20世纪60年代，真空技术，真空工业 — 薄膜制备、表面科学、微电子材料加工、纳米结构、先进冶炼 20世纪80年代，微加工技术 ＋ 纳米技术，微纳系统 21世界，各个领域，大方异彩，特别是涉及流动的机理 应用 最合适的战场 微观机理 空间流动 飞行器再入 空间推进 微气体流动 真空流动 低压环境材料处理 其它颗粒流动 Kn=?/L~O(1) 应用－激波结构 激波结构 [P