Skip to main content
SUPERVISOR
Ebrahim Shirani,Mahmud Ashrafizadeh
ابراهیم شیرانی چهارسوقی (استاد مشاور) محمود اشرفی زاده (استاد راهنما)
 
STUDENT
Ahmad Homayoon Najafabadi
احمد همایون نجف آبادی

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1385

TITLE

Simulation of micro scale flows by modifying boundary condition in lattice Boltzmann method
The purpose of this study is to model micro and nano scale flows with Lattice Boltzmann Method (LBM). The continuity assumption for fluid flows and consequently the validity of Navier-stokes equation (NSE) break down as the channel dimensions are reduced significantly. Therefore, some particle based methods such as Molecular Dynamics (MD), Direct Simulation Monte Carlo (DSMC) and LBM are used for the flow simulation in small scales. Among these methods, the LBM require less computational resources and with appreciate adjustment can be used for wide range of the Knudsen number. Moreover the Lattice Boltzmann Equation (LBE) is a more fundamental equation compared to the NSE, which is in theory valid for all reneges of Knudsen number. Therefore, the LBM can be used to simulate fluid flows in all regimes upon appreciate adjustments. Flows through micro and nano channels have been numerically simulated using a modified lattice Boltzmann method (LBM). These pressure driven flows have been performed inside channels with different dimensions which span a wide range of flow regimes covering the slip, transition and to some extend the free molecular regimes. To cover a wide range of the flow regimes, a new relaxation time formulation by considering the rarefaction effect and the effective dynamic viscosity has been obtained. Different boundary conditions, such as the specular reflection boundary condition (SRBC) and diffuse scattering boundary condition (DSBC) have been used. The present results agree very well with exiting empirical and numerical data. The velocity profile and pressure distribution are predicted as well as the volumetric flow rate. The well known Knudsen minimum has also been captured. Keywords lattice Boltzmann method, micro and nano flows, slip regime, transition regime, Knudsen minimum effect.
هدف از تحقیق حاضر شبیه سازی جریان سیال در هندسه‌‌هایی با ابعاد ریز با استفاده از روش شبکه بولتزمن و توسعه این روش برای جریان‌‌‌‌هایی با اعداد نودسن بالاست. جریان سیال در هندسه‌‌هایی با ابعاد ریز رفتار کاملا متفاوتی با جریان‌‌ سیال در ابعاد معمول دارد. از جمله خصوصیات این جریان‌ها می توان به پدیده‌هایی همچون لغزش بر روی سطوح جامد و رقت گاز در طول میکروکانال‌ اشاره نمود. با توجه به گسترش سیستم‌های میکرو الکترو مکانیکی در دهه‌های اخیر، حل عددی مسائل مربوط به میکرو و نانوجریان‌ها مورد توجه محققان قرار گرفته است. از آنجاییکه روش شبکه بولتزمن بر مبنای تئوری جنبشی گازها استوار است، بنظر می‌رسد که این روش ابزار بسیار مناسبی برای شبیه سازی این جریان‌ها باشد. در تحقیق حاضر ضمن بررسی توانایی مدل‌های مختلف ارائه شده در روش شبکه بولتزمن برای حل میکرو‌جریان‌ها، 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 رژیم‌های لغزشی و گذار می‌باشد. همچنین، مقدار لغزش محاسبه شده در شرط مرزی پخش مولکولی و شرط مرزی لغزشی- انعکاسی با استفاده از زمان آرامش جدید با مدل‌های 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 روش‌های عددی مقایسه شده است که انطباق خوبی بین نتایج وجود دارد. کاهش ابعاد کانال در حدود ابعاد مولکولی، موجب افزایش اثر نیروهای بین‌مولکولی جامد- سیال بر روی مولکول‌های سیال در نزدیکی دیواره کانال می‌شود،‌ 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 می‌باشد که با افزایش اختلاف فشار در دو سر کانال، میزان انحراف افزایش می‌یابد. از دیگر پدیده‌های شاخص در میکرو‌جریان‌ها 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 تئوری دینامیک گازها و روش بولتزمن خطی مقایسه شده است که انطباق بسیار خوبی بین نتایج وجود دارد. کلمات کلیدی روش شبکه بولتزمن، میکروجریان، نانوجریان، رژیم لغزشی، رژیم گذار، سرعت لغزشی، پدیده مینیمم نودسن

ارتقاء امنیت وب با وف بومی