Molecular dynamics simulation for micro-/nano-flows

Abstract

近年来，随着微机电系统（MEMS）的兴起和微化工技术的发展，对纳微尺度下流体的流动和传热特性的研究也日益受到重视；同时，在航空航天方面对飞行或发动机燃烧过程中产生的气动加热现象也需要从微观层面更深入地了解。离散模拟为从本质上探索这些现象的规律提供了一种强有力的工具。本论文采用硬球分子动力学方法对微通道中的流体行为进行了模拟，并耦合时驱和事驱算法提出了硬球模型的大规模并行算法，探讨了基于CPU-GPU（中央处理器-图形处理器）耦合计算气动加热现象的分子动力学模拟的可行性。鉴于离散模拟中，粒子与边界作用对流动行为有重要的影响，论文第二章首先介绍了离散模拟中常用的粒子-边界模型，并重点分析讨论了几种模型中涉及的Maxwell分布和偏Maxwell分布以及它们在计算机模拟中的实现方式。通过硬球事件驱动算法模拟了硬球流体在不同边界条件下的恒温流动，明确了模拟中所应采用的边界条件，为下面的模拟工作奠定了基础。 论文第三章重点研究了纳微通道中气体的流动和传热特性，对处于恒定外力场的气体纳微泊肃叶流动进行了二维和三维的离散模拟。模拟针对亚音速的层流，流动涵盖了滑移区和过渡区，并且对努森数、外力场强度和填充率这三个主要因素的影响分别进行了分析。模拟结果表明，随着努森数的增大，流体的温度分布会呈现双峰结构，微通道中间有相对极小值而非经典的N-S方程预测的最大值，这些发现验证了非平衡动理论关于温度凹陷的分析。论文第四章改进了硬球的事件驱动算法，并将改进后的算法与拟颗粒模型相耦合，提出了并行的硬球模型时驱-事驱耦合算法，同时提出了模拟区域高维分割的通信方式，实现了硬球模型可扩展的大规模并行计算。通过和单机模拟测试算例的比较，验证了该耦合算法并行模拟结果的正确性。最后，通过模拟测试表明该耦合算法具有很好的并行计算效率和扩展性。 论文的第五章利用CUDA（Compute Unified Device Architecture，计算统一设备架构）技术初步实现了分子动力学方法在气动加热方面的CPU和GPU的耦合计算，模拟了气体对粗糙壁面的气动加热现象，为采用分子动力学方法大规模并行计算更复杂的气动加热现象提供了可能。论文的最后总结了本论文获得的主要结论，并展望了今后的研究工作