شبیه سازی جریان و انتقال حرارت در مقیاس میکرو با استفاده از روش شبکه ی بولتزمن در رژیم گذار و یک حل تحلیلی جدید برای رژیم لغزشی

چکیده هدف این پژوهش، شبیه سازی عددی و تحلیلی پدیده های جریان و انتقال حرارت در مقیاس میکرو می باشد. بدین منظور،محتوای این پژوهش به دو بخش کلّی تقسیم بندی شده است. در بخش اول که مربوط به فرآیند شبیه سازی عددی است، از روش شبکه ی بولتزمن استاندارد، به عنوان حل کننده ی عددی معادله ی بولتزمن، برای مدل سازی جریان و انتقال حرارت سیال در مقیاس میکرو و در رژیم های مختلف، شامل رژیم های جریانی پیوسته، لغزشی و گذار استفاده شده است. از آنجا که مدل های رایج روش شبکه ی بولتزمن استاندارد توانایی شبیه سازی درست کمیتهای جریان درون لایه ی نودسن را ندارند، در پژوهش کنونی از ترفند تابع دیواره برای بهبود کارایی روش شبکه ی بولتزمن در رویارویی با این لایه ی مرزی سینتیک بهره گرفته شده است. شبیه سازی های صورت پذیرفته بیانگر این مطلب است که با بکارگیری ترفند یاد شده در روش شبکه ی بولتزمن، کارایی این روش در شبیه سازی پدیده های انتقال در ابتدای رژیم جریانی گذاربه طور چشمگیری افزایش می یابد؛ بدون اینکه هزینه ی محاسباتی اضافی قابل توجهی به فرآیند حل وارد آید. در بخش دوم که شامل بیان فرآیند حل تحلیلی صورت گرفته و نتیجه های بدست آمده می باشد، پدیده های جریان، انتقال حرارت و تولید انتروپی برای جریان رقیق گاز حبس شده بین دو سیلندر هم محور چرخان، یعنی جریان کوئت استوانه ای، در محدوده ی رژیم لغزشی، بررسی شده است. در این راستا، معادله های تراکم ناپذیر ناویر - استوکس - فوریه در دستگاه مختصات استوانه ای با در نظر گرفتن اثرهای لغزش سرعت و پرش دما و جمله ی تلفات لزجی، به صورت تحلیلی حل گردیده است. با استفاده از دو نوع مختلف شرط گرمایی، یعنی شرط های دمای ثابت سطح و شار حرارتی یکنواخت روی دیواره، سه نوع مساله ی گرمایی طرح شده و پس از آن به طور جداگانه مورد بررسی قرار گرفته است. در ادامه، اثر پارامترهایی همچون عدد نودسن، عدد برینکمن، پارامتر خمیدگی و همچنین سبک چرخش بر مشخّصه های جریان، انتقال حرارت و تولید انتروپی، شامل متغیرهای سرعت، دما،عدد نوسلت، شار حرارتی روی دیواره ها، تولید انتروپی ناشی از اصطکاک سیال و انتقال حرارت، نرخ متوسط تولید انتروپی و عدد بی بعد بجان، به دقّت مورد کنکاش قرار گرفته و دستاوردهای مربوطه ارائه گردیده است. گفتنی است که حل تحلیلی ارائه شده، معیار مقایسه ی بسیار مناسبی را برای ارزیابی میزان درستی دستاوردهای حاصل از روش های عددی مختلف، در تمامی ناحیه ی رژیم لغزشی، فراهم می آورد.