مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

تحلیل جریان رقیق‌شده برشی در هندسه‌های میکرو/نانو با روش فوکرپلانک

نوع مقاله : پژوهشی اصیل

نویسندگان
گروه مهندسی مکانیک، دانشکده مهندسی، دانشگاه فردوسی مشهد، مشهد، ایران
چکیده
در مقاله حاضر به بررسی و تحلیل جریان رقیق‌شده با روش فوکرپلانک در محدوده‌های مختلف عدد نودسن و بازه‌های مختلف اعداد ماخ در رژیم‌های مادون‌صوت و مافوق‌صوت پرداخته شد. از روش فوکرپلانک برای حل جریان رقیق‌شده در هندسه‌های مختلف میکرو/نانو یک‌بعدی کوئت و مساله دوبعدی کاویتی که جریان‌های برشی هستند، استفاده شده است. معادله بولتزمن و بهویژه حل آماری شبیه‌سازی مستقیم مونت کارلو (DSMC) ابزاری دقیق برای شبیه‌سازی جریان‌های غیرتعادلی هستند. با این حال با کاهش عدد نودسن، هزینه‌های محاسباتی روش DSMC به‌شدت افزایش می‌یابد. به‌منظور مقابله با این چالش، تقریب فوکرپلانک از معادله بولتزمن در این مقاله در نظر گرفته شد. در کدی که برای شبیه‌سازی روش فوکرپلانک تدوین شده است این روش با استفاده از مجموعه‌ای از معادلات دیفرانسیل تصادفی، جایگزین جملات برخورد بین-مولکولی در DSMC می‌شود. در این تحقیق، روش فوکرپلانک در جریان کوئت در رژیم مادون‌صوت در اعداد ماخ۰/۱۶ (سرعت دیواره ۵۰متر بر ثانیه) و در رژیم مافوق صوت برای عدد ماخ ۳/۱ (سرعت دیواره ۱۰۰۰متر بر ثانیه) در بازه اعداد نودسن از ۰/۰۰۵ تا ۰/۳ ارزیابی شده است. همچنین جریان کاویتی در عدد ماخ ۰/۹۳ (سرعت دیواره ۳۰۰متر بر ثانیه) و در بازه اعداد نودسن ۰/۰۵ تا ۲۰ در نظر گرفته شده‌است. نتایج نشان می‌دهند که با افزایش همزمان سرعت و عدد نودسن، دقت روش فوکرپلانک افزایش می‌یابد. علاوه بر این با وجود استفاده از ذرات بیشتر، همگرایی سریع و هزینه محاسباتی کمتر این روش نسبت به روش‌ DSMC از ویژگی‌های قابل توجه این روش است.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله English

Evaluation of Rarefied Shear Flow in Micro/Nano Geometries Using Fokker-Planck Technique

نویسندگان English

V. Rezapour Jaghargh
A.M. Mahdavi
E. Roohi
Mechanical Engineering Department, Engineering Faculty, Ferdowsi University of Mashhad, Mashhad, Iran
چکیده English

In this article, rarefied gas flow was investigated and analyzed by the Fokker-Planck approach in different Knudsen numbers and Mach numbers at subsonic and supersonic regimes. The presented Fokker-Planck approach is used to solve the rarefied gas flows in different shear-driven micro/nano geometries like one-dimensional Couette flow and the two-dimensional cavity problem. Boltzmann's equation, and especially statistical technique of the Direct Simulation Monte Carlo (DSMC), are precise tools for simulating non-equilibrium flows. However, as the Knudsen number becomes small, the computational costs of the DSMC are greatly increased. In order to cope with this challenge, the Fokker-Planck approximation of the Boltzmann equation is considered in this article. The developed code replaces the molecular collisions in DSMC with a set of continuous stochastic differential equations. In this study, the Fokker-Planck method was evaluated in the Couette flow in the subsonic Mach number of 0.16 (wall velocity was 50 m/s) and in the supersonic Mach number of 3.1 (wall velocity was 1000 m/s), where Knudsen numbers range from 0.005-0.3. Also, the cavity flow with a wall Mach number of 0.93 (wall velocity was 300 m/s) in Knudsen numbers ranging from 0.05-20 was investigated. The results show that by increasing speed and Knudsen numbers, the accuracy of Fokker-Planck increases. In addition, despite using larger number of simulator particles, the rapid convergence and lower computational costs relative to other methods are the features of this method.

کلیدواژه‌ها English

Knudsen Number
Shear-driven flow
Micro/Nano Flow
Fokker Planck Approach
Chambre PA, Schaaf SA. Flow of rarefied gases. Princeton: Princeton University Press; 2017. [Link]
Bird GA. Approach to translational equilibrium in a rigid sphere gas. The Physics of Fluids. 1963;6(10):1518. [Link] [DOI:10.1063/1.1710976]
Kirkwood JG. The statistical mechanical theory of transport processes I. general theory. The Journal of Chemical Physics. 1946;14(3):180. [Link] [DOI:10.1063/1.1724117]
Cercignani C. The Boltzmann equation. In: Cercignani C. The Boltzmann equation and its applications, applied mathematical sciences. 67th Volume. New York: Springer; 1988. pp. 40-103. [Link] [DOI:10.1007/978-1-4612-1039-9_2]
Jenny P, Torrilhon M, Heinz S. A solution algorithm for the fluid dynamic equations based on a stochastic model for molecular motion. Journal of Computational Physics. 2010;229(4):1077-1098. [Link] [DOI:10.1016/j.jcp.2009.10.008]
Gorji MH, Torrilhon M, Jenny P. Fokker-Planck model for computational studies of monatomic rarefied gas flows. Journal of Fluid Mechanics. 2011;680:574-601. [Link] [DOI:10.1017/jfm.2011.188]
Pawula RF. Approximation of the linear Boltzmann equation by the Fokker-Planck equation. Physical Review. 1967;162(1):186. [Link] [DOI:10.1103/PhysRev.162.186]
Bogomolov SV. On Fokker-Planck model for the Boltzmann collision integral at the moderate Knudsen numbers. Mathematical Models and Computer Simulations. 2009;1:739. [Link] [DOI:10.1134/S2070048209060088]
Risken H. The Fokker-Planck equation: Methods of solution and applications. Berlin: Springer-Verlag; 1989. [Link] [DOI:10.1007/978-3-642-61544-3]
Gorji MH, Jenny P. A Fokker-Planck based kinetic model for diatomic rarefied gas flows. Physics of Fluids. 2013;25(6):062002. [Link] [DOI:10.1063/1.4811399]
Truesdell C, Muncaster R. Fundamentals of Maxwell's kinetic theory of a simple monatomic gas. New York: Academic Press; 1980. [Link]
Rezapour Jaghargh V, Mahdavi AM, Roohi E. A thorough evaluation of the Fokker-Planck kinetic model in the couette flow. 17th Conference on Fluid Dynamics, Shahrood University of Technology. Shahrood: Physics Society of Iran; 2017. [Link]
Rezapour V, Mahdavi AM, Roohi E. Investigation of rarefied gas flow in micro/nano cavity by Fokker Planck approach. 26th Annual Conference of Mechanical Engineering. Semnan: Semnan University; 2018. [Link]
Mohammadzadeh AR, Roohi E, Niazmand H, Stefanov S, Myong RS. Thermal and second-law analysis of a micro- or nanocavity using direct-simulation Monte Carlo. Physical Review E; 2012;85:056305. [Link] [DOI:10.1103/PhysRevE.85.056310]