КАРТОЧКА
ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер 22-21-20121
НазваниеГазовая динамика микро- и нанофлюидных систем
РуководительСажин Олег Владимирович, Кандидат физико-математических наук
Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина", Свердловская обл
| Период выполнения при поддержке РНФ | 2022 г. - 2023 г. |
Конкурс№65 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами» (региональный конкурс).
Область знания, основной код классификатора 01 - Математика, информатика и науки о системах, 01-310 - Газовая динамика
Ключевые словадинамика разреженного газа, тепломассоперенос, микро- и нанофлюидика, прямое статистическое моделирование
Код ГРНТИ30.51.15; 30.51.25; 30.51.35
СтатусУспешно завершен
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Проект посвящён комплексному исследованию течения газа в микро- и нанофлюидных системах, которые в большинстве случаев являются основными элементами устройств с микро- и наноразмерными элементами, в частности так называемых микро- и наноэлектромеханических устройств (МЕМS и NЕМS). Такие устройства в силу малых размеров работают в режимах, которые существенно отличаются от режимов работы соответствующих макроскопических аналогов. Проведение исчерпывающих натурных экспериментов на этапе проектирования подобных систем крайне затруднено и экономически невыгодно. Фактически необходимо создавать не менее сложную, нежели само устройство, контрольно-измерительную аппаратуру, например для контроля за потоками внутри микро- и наноэлектромеханических устройств, поэтому зачастую процесс проектирования таких систем является в большей степени эмпирическим. В связи с этим возникает необходимость в развитии, апробации и применении методов, и в частности численных, для описания газодинамических процессов в подобных устройствах.
Важным эффектом малых размеров таких устройств является невозможность описания течения газа в таких системах традиционным подходом как течение сплошной среды с непрерывно изменяющимися в пространстве и времени макроскопическими параметрами состояния. Альтернативным подходом к решению можно считать метод прямого статистического моделирования Монте Карло (DSMC), который является эффективным средством для решения задач газодинамики для любых режимов течения газа от течения газа как сплошной среды (гидродинамического) до свободномолекулярного. Подход на основе использования DSMC метода позволяет учитывать множество факторов, таких как сильная неравновесность и сложная геометрическая конфигурация моделируемой системы, использовать различные типы граничных условий, моделей структуры поверхности и межмолекулярного потенциала.
Основным содержанием выполняемых в ходе проекта работ будет являться развитие, апробация и применение метода DSMC к комплексному анализу течения газа в конкретных конфигурациях, используемых в микро- и наноэлектромеханических устройствах, и влиянию широкого набора параметров на процессы тепло- и массопереноса в моделируемой системе.
Задачи, которые будут решены в каждый год выполнения проекта:
1. задача о течении разреженного газа через линейно расширяющийся и сужающийся канал в вакуум (2022г. выполнения проекта);
2. задача о сверхзвуковом течении газа через прямой и обратный уступ в вакуум в широком диапазоне разреженности (2023г).
Ожидаемые результаты
Ожидаемыми результатами проекта будут являться результаты решения двух крупных задач (в каждый год выполнения проекта) о течении газа в микро- и нанофлюидных системах, которые в большинстве случаев являются основными элементами устройств с микро- и наноразмерными элементами, в частности так называемых микро- и наноэлектромеханических устройств (МЕМS и NЕМS), и влиянию широкого набора параметров на процессы тепло- и массопереноса в моделируемой системе. Основными результатами решения этих задач будут являться:
- величина массового расхода газа в системе, вычисленная в широком диапазоне разреженности газа, от свободномолекулярного режима течения до гидродинамического, для различных чисел Маха набегающего потока (0; 1; 2; 5 и 10);
- 2-D картины поля течения, а именно безразмерные плотность, температура и продольная массовая скорость газа;
- распределение макроскопических параметров газа и локального числа Маха вдоль центральной линии;
- линии тока газа как внутри так и за пределами системы (устройства).
Ожидаемые результаты будут значимы для развития новой тематики «Разработка газо-управляемых микро- и нанофлюидных устройств». Действительно, глубокое понимания газодинамических процессов, протекающих в микро и нанофлуидных системах, открывает новые возможности для практического использования процессов молекулярного переноса в нано- и микромасштабе. В частности, нано- и микромасштаб устройств позволяет добиться невозможной для "макротехнологий" удельной мощности, например как для микротурбины и микронасоса, с использованием микро- и наносепараторов повысить эффективность разделение газовых смесей, что очень важно для ядерной энергетики, создать компактные и высокоточные микросистемы общего анализа (лаборатория на чипе), существенно улучшить эксплуатационные характеристики микрогироскопов, микросенсоров, микронных тепловых труб и др.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Истечение разреженного газа в вакуум через линейно расширяющийся и сужающийся канал исследовано методом прямого статистического моделирования Монте Карло. Расчёты выполнены для короткого и длинного канала с отношение длины к высоте 1 и 10, соответственно. Основным результатом первого этапа проекта являются табулированные данные расчёта безразмерного массового расхода газа для интервала разреженности газа от 0 до 1000, который покрывает все режимы течения газа свободномолекулярного до гидродинамического. Кроме того, рассчитана величина струйной диодности конического канала, что позволило оценить газоструйный диод-эффект, и выполнен анализ распределения макроскопических параметров газа и линий тока как внутри канала так и в областях вверх и вниз по течению.
Установлено сильное влияние геометрии канала и разреженности газа как на массовый расход газа так и на распределение макроскопических параметров. В переходном режиме течения для длинного канала обнаружен, так называемый, кнудсеновский минимум как для линейно расширяющегося так и линейно сужающегося канала. Вычисленные величины струйной диодности свидетельствуют о том, что газоструйный диод-эффект при исследуемых условиях не наблюдается как для короткого так и для длинного канала. В достаточно разреженном газе распределение плотности в длинных каналах носит практически одномерный характер, т.е. зависит только от продольной координаты.
Полученные результаты могут применяться для предварительного анализа при разработке и оптимизации микро и нанофлуидных устройств, например как при проектировании космических приложений и конструировании вакуумных систем.
Публикации
Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Методом прямого статистического моделирования Монте-Карло исследовано высокоскоростное истечение разреженного газа в вакуум через каналы с прямым и обратным уступом. Расчёты выполнены для короткого и длинного канала с отношение длины к высоте 1 и 10, соответственно. Основными результатами исследования являются:
- величина безразмерного массового расхода газа через канал, вычисленная в широком диапазоне разреженности от 0.01 до 100 и для различных чисел Маха набегающего на канал потока газа (0; 1; 2; 5 и 10);
- 2-D картины поля течения, а именно безразмерные плотность, температура и продольная массовая скорость газа, а также линии тока газа как внутри канала так и за его пределами;
- распределение макроскопических параметров газа вдоль центральной линии канала.
Установлено сильное влияние геометрии канала, разреженности газа и скорости набегающего потока как на массовый расход газа так и на распределения макроскопических параметров. Обнаружена нетривиальная зависимость массового расхода газа от параметра разреженности при фиксированном числе Маха, обусловленная существенной трансформацией поля течения при увеличении параметра разреженности и числа Маха.
В поле течения перед каналом, из-за взаимодействия сверхзвукового потока газа с поверхностью тела возникает прямой скачок уплотнения (ударная волна), где режим течения газа изменяется от сверхзвукового к дозвуковому режиму. Интенсивность и локализация скачка уплотнения зависит от числа Маха набегающего потока и разреженности газа. В частности, чем выше скорость потока, тем резче и сильнее изменения макропараметров газа, а расположение скачка ближе к входному сечению канала.
В поле течения внутри канала с обратным уступом, в достаточно плотном газе может появляться зона рециркуляции газа, одной из характеристик которой является длина повторного присоединения течения; с увеличением числа Маха длина повторного присоединения течения также возрастает, что в исследуемых условиях согласуется c классическими экспериментами.
Новые возможности практического применения молекулярного переноса микро- и наномасштаба
https://dzen.ru/media/id/640198d5f15c716ca6505ac9/novye-vozmojnosti-prakticheskogo-primeneniia-molekuliarnogo-perenosa-mikro-i-nanomasshtaba-64074cb3e64e7b435294e65b
Публикации
1. Сажин О.В., Сажин А.О Transonic, supersonic, and hypersonic flow of rarefied gas into vacuum through channels with a forward- or backward-facing step Microfluidics and Nanofluidics, 28, 32 (год публикации - 2024) https://doi.org/10.1007/s10404-024-02727-x
2. Сажин А.О., Сажин О.В. Direct stochastic simulation of a rarefied gas flow in channels of variable cross section Thermophysics and Aeromechanics, Volume 30, pages 1043-1049 (2023) (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1134/S0869864323060070
3. Сажин О.В., Сажин А.О Rarefied gas flow into vacuum through linearly diverging and converging channels International Journal of Heat and Mass Transfer, 203, 123842 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2022.123842
4. Сажин О.В. Gas Dynamics of Micro- and Nanofluidic Systems Fluids, 8, 24 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.3390/fluids8010024
Возможность практического использования результатов
не указано