بررسی اثر زبری مثلثی بر جریان خزش حرارتی درون نودسن پمپ‌ها به روش شبیه‌سازی مستقیم مونت کارلو

نوع مقاله : مقاله مستقل

نویسندگان

1 کارشناس ارشد، گروه مهندسی مکانیک، دانشکده فنی مهندسی، دانشگاه رازی، کرمانشاه، ایران

2 استادیار، گروه مهندسی مکانیک، دانشکده فنی مهندسی، دانشگاه رازی، کرمانشاه، ایران

10.22044/jsfm.2020.9825.3208

چکیده

در این مطالعه اثر زبری دیواره بر پارامترهای جریان درون نودسن پمپ‌ها، با استفاده از روش ذره-مبنای شبیه‌سازی مستقیم مونت کارلو بررسی شده است. به این منظور با اعمال شیب دمای خطی بر دیواره‌های یک میکروکانال، جریان خزش حرارتی حاصله در گستره وسیعی از عدد نودسن (0.1≤ Kn≤10 ) حل شده است. زبری به صورت زائده‌هایی مثلثی شکل روی دیواره مدل‌سازی شده است. مطالعه جامعی روی پارامترهای تعیین‌کننده هندسه زبری صورت پذیرفته است که شامل ارتفاع زبری (10 ≤ε≤ 0)، نسبت منظری زبری (3 ≤ξ≤ 1) و گام زبری (5 ≤χ≤ 1) می‌شود. بررسی نتایج گویای آن است که دبی جرمی جریان خزش حرارتی در کانال‌های زبر، هرقدر هم که زبری کوچک باشد، کاهش قابل توجهی نسبت به کانال صاف دارد؛ به نحوی که برای زبری نسبی 25/1 ε= کاهش 26 درصدی دبی جرمی در مقایسه با کانال صاف مشاهده می‌شود. همچنین ملاحظه شد نسبت منظری و فاصله المان‌های زبری، در محدوده مطالعه شده، تاثیر قابل توجهی بر پارامترهای جریان ندارند.

کلیدواژه‌ها


[1] An S, Qin Y, Gianchandani YB (2015) A monolithic high-flow Knudsen pump using vertical Al2O3 channels in SOI. J Microelectromech Syst 24(5): 1606-1615.
[2] Gupta NK, Gianchandani YB (2011) Porous ceramics for multistage Knudsen micropumps modeling approach and experimental evaluation. J Micromech Microeng 21(9): 095029.
[3] Takata S, Sugimoto H, Kosuge S (2007) Gas separation by means of the Knudsen compressor. Eur. J Mech B Fluids 26(2): 155-181.
[4] Bell AD (2013) Human powered Knudsen pump for pneumatic pharmaceutical delivery. University of Louisville, Electronic Theses and Dissertations. Paper 97.
[5] McNamara S, Gianchandani YB (2005) On-chip vacuum generated by a micromachined Knudsen pump. J Microelectromech Syst 14(4): 741-746.
[6] Kugimoto K, Hirota Y, Yamauchi T, Yamaguchi H, Niimi T (2018) A novel heat pump system using a multi-stage Knudsen compressor. Int J Heat Mass Transfer 127(A): 84-91.
[7] Vargo SE, Muntz EP (2001) Initial results from the first MEMS fabricated thermal transpiration-driven vacuum pump. Proc AIP Conference 585(1).
[8] Gupta NK, Gianchandani YB (2008) Thermal transpiration in zeolites: A mechanism for motionless gas pumps. Appl Phys Lett 93(19): 193511.
[9] Gupta NK, Gianchandani YB (2009) A planar cascading architecture for a ceramic Knudsen micropump. Proc 15th Int Conf on Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems.
[10] Pharas K, McNamara S (2010) Knudsen pump driven by a thermoelectric material. J Micromech Microeng 20(12): 125032.
[11] Aoki K, Degond P, Mieussens L, Nishioka M,  Takata S (2007) Numerical simulation of a Knudsen pump using the effect of curvature of the channel. Proc Rarefied Gas Dynamics. MS Ivanov and AK Rebrov, Eds. Novosibirsk: 1079-1084.
[12] Hu Y, Werner C, Li D (2003) Influence of three-dimensional roughness on pressure-driven flow through microchannels. J Fluids Eng 125(5): 871-879.
[13] Kleinstreuer C, Koo J (2004) Computational analysis of wall roughness effects for liquid flow in micro-conduits. J Fluids Eng 126(1): 1-9.
[14] Cao BY, Chen M, Guo ZY (2006) Effect of surface roughness on gas flow in microchannels by molecular dynamics simulation. Int J Eng Sci 44(13-14): 927-937.
[15] رجبی رمضان، ثقفیان محسن (1395) بررسی عددی اثر تلفات اصطکاکی و زبری سطح بر جریان سیال و انتقال حرارت در میکروکانالها با استفاده از بسط اختلالات. روش­های عددی در مهندسی 156-143 :(1)35.
[16] Zhang C, Chen Y, Deng Z, Shi M (2012) Role of rough surface topography on gas slip flow in microchannels. Phys Rev E 86(1): 016319.
[17] Noorian H, Toghraie D, Azimian AR (2014) The effects of surface roughness geometry of flow undergoing Poiseuille flow by molecular dynamics simulation. Heat Mass Transfer 50(1): 95-104.
[18] Rovenskaya OI, Croce G (2016) Numerical simulation of gas flow in rough microchannels: hybrid kinetic–continuum approach versus Navier–Stokes. Microfluid Nanofluid 20(5): 81.
[19] Jia J, Song Q, Liu Z, Wang B (2018) Effect of wall roughness on performance of microchannel applied in microfluidic device. Microsyst Technol 25: 2385-2397.
[20] Yamamoto K, Takeuchi H, Hyakutake T (2005) Effect of surface grooves on the rarefied gas flow between two parallel walls. Proc AIP Conference 762(1): 156-161.
[21] Baier T, Hardt S, Shahabi V, Roohi E (2017) Knudsen pump inspired by Crooks radiometer with a specular wall. Phys Rev Fluids 2: 033401.
[22] Shahabi V, Baier T, Roohi E, Hardt S (2017) Thermally induced gas flows in ratchet channels with diffuse and specular boundaries. Sci Rep 7: 41412.
[23] Lotfian A, Roohi E (2019) Radiometric flow in periodically patterned channels: Fluid physics and improved configurations. J Fluid Mech 860: 544-576.
[24] Amiri-Jaghargh A, Roohi E, Niazmand H (2013) DSMC simulation of low knudsen micro/nano flows using small number of particles per cells. J Heat Transfer 135(10): 101008-101008.
[25] Amiri-Jaghargh A, Roohi E, Stefanov S, Nami H, Niazmand H (2014) DSMC simulation of micro/nano flows using SBT-TAS technique. Comput Fluids 102: 266-276.
[26] Liou WW, Fang YC (2000) Implicit boundary conditions for direct simulation Monte Carlo method in MEMS flow predictions. CMES-Computer Modeling in Engineering & Sciences 1(4): 119-128.
[27] Akhlaghi H, Roohi H (2014) Mass flow rate prediction of pressure–temperature-driven gas flows through micro/nanoscale channels. Continuum Mech Thermodyn 26(1): 67-78.
[28] Alexander FJ, Garcia AL, Alder BJ (1998) Cell size dependence of transport coefficients in stochastic particle algorithms. Phys Fluids 10(6): 1540-1542.
[29] Hadjiconstantinou NG (2000) Analysis of k Phys. Fluids 12(10): 2634-2638.
[30] Takata S, Funagane H (2013) Singular behaviour of a rarefied gas on a planar boundary. J Fluid Mech 717: 30-47.
[31] Mozafari MS, Roohi E (2017) On the       thermally-driven gas flow through divergent micro/nanochannels. Int J Mod Phys C 28(12): 1750143.