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系統識別號 U0002-3108200514140400
中文論文名稱 微結構三維流場與熱傳現象
英文論文名稱 Fluid Dynamics and Heat Transfer Analysis of a 3D Microstructure
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 機械與機電工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Mechanical and Electro-Mechanical Engineering
學年度 93
學期 2
出版年 94
研究生中文姓名 邱昱中
研究生英文姓名 Yu-Chung Chiu
電子信箱 692342446@s92.tku.edu.tw
學號 692342446
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2005-07-29
論文頁數 55頁
口試委員 指導教授-洪祖昌
委員-蕭秋德
委員-杜文謙
中文關鍵字 直接模擬蒙地卡羅法  微機電系統  微結構 
英文關鍵字 DSMC  MEMS  Microstructure 
學科別分類 學科別應用科學機械工程
中文摘要 本文以直接模擬蒙地卡羅法(Direct Simulation Monte Carlo Method)[1]來模擬研究三維微結構物理模型對流場現象與熱傳作分析與探討。本文使用直接模擬蒙地卡羅法在低速時出入口邊界的隱性條件來修正。
在低速管流的模擬中,紐森數的範圍設定在0.08到1.8之間且微結構溫度分別設定為273 K ,323 K 和373 K。在模擬中,比較三維模擬結果與二微模擬結果之差異性。就結果而言,可以觀察出在三維模擬的例子中,兩側壁的效應影響了熱傳與流場性質且在三維的流場模擬中,壁的熱傳量也隨著紐森數的增加而減少。而在三維的模擬中,也模擬加大長寬比1,3和5倍,其結果顯現在三維的模擬中,長寬比小於3的時候,兩邊壁的效應對熱傳與流場的影響就相當顯著,隨著長寬比的增加,此時流場的性質與熱傳表現是接近二維模擬時的結果。當長寬比大於5的時候,發現二維模擬的結果是合理的。
英文摘要 The Direct Simulation Monte Carlo (DSMC) [1] method is employed to analyze the heat transfer and the fluid dynamics characteristics of a 3-D microstructure. An implicit treatment for low-speed inflow and outflow boundaries for the DSMC of microchannel flows is used.
The microchannel flows are simulated with Knudsen numbers ranging between 0.08 and 1.8 and with three different temperatures 273k, 323k and 373k of microstructure. The calculated flow properties in the 3-D case are compared with those in the 2-D case. It shows that the two extra side walls in the 3-D case have significant effects on the heat transfer. The wall heat transfer in the calculated microchannel flow decreases with an increase in Knudsen number. The 3-D microchannel flows is also simulated with the cross aspect ratio in the range of 1, 3 and 5. It shows that when the aspect ratio < 3, the two extra side walls in the 3-D case have significant effects on the heat transfer and flow properties. When the aspect ratio increases, the flow pattern and heat transfer characteristics tend to approach that of 2-D results. The 2-D simplification is found to be reasonable only when the cross aspect ratio is larger than 5.
論文目次 摘要
表目錄 III
圖目錄 IV
符號說明 VI
第一章 緒 論 1
1-1 緣起 1
1-2 文獻回顧 4
1-3 研究目的與方法 7
第二章 直接模擬蒙地卡羅法 9
2-1 DSMC 法 9
2-2 網格設置與計算時步 10
2-3 流場初始條件 10
2-4 流場邊界處理 11
2-5 碰撞對(Collision Pair)的選擇 13
2-6 低速流之進出口條件設定方法 14
2-7 流場性質的取樣 16
2-8 流場性質的輸出 17
第三章 分子模型的選擇 18
3-1 分子模型 18
3-2 VHS分子模型 18
3-3 雙原子分子模型 19
第四章 結果與討論 23
4-1 二維模擬結果 24
4-2 三維程式與二維程式驗證與比較 24
4-3 三維微結構在不同溫度下對流場的影響 25
4-3 kn值對三維微結構在不同溫度下之流場的影響 27
第五章 結論與未來工作 29
5-1 結論 29
5-2 未來工作 30
參考文獻 31
表目錄
表 4-1 VHS 分子模型基本參數 33
表 4-2 二維微結構矩形方管流場基本設定 33
表 4-3 改變矩形管口徑設定 34
表 4-4 不同微結構溫度下流場設定 34
表 4-5三個入口壓力之不同微結構溫度下流場設定 35

圖目錄
圖1-1 KN值與統御方程式間的關係圖………………………………..36
圖2-1分子碰撞面積示意圖 36
圖3-1硬球模型碰撞示意圖 37
圖4-1 LIOU與FANG二維微結構微管物理模型圖 38
圖4-2 三維微結構微管物理模型圖 38
圖4-3 LIOU & FAN(上圖)與本文模擬(下圖)之溫度場 39
圖4-4 LIOU & FAN(上圖)與本文模擬(下圖)之溫度場 39
圖4-5 LIOU & FAN之溫度分布圖 40
圖4-6 模擬LIOU & FAN之溫度分布圖 40
圖4-7 微結構上溫度三維與二維之比較 41
圖4-8 微結構與上方壁面之中線溫度 41
圖4-9 三維不同管徑寬度與二維模擬之溫度剖面圖 42
圖4-10 三維不同管徑寬度與二維模擬之速度剖面圖 43
圖4-11 三維不同微結構溫度下與上方管壁間之中線速度 44
圖4-12 三維不同微結構溫度下與上方管壁間之中線溫度 44
圖4-13三維不同微結構溫度之速度剖面圖 45
圖4-14三維不同微結構溫度之溫度剖面圖 46
圖4-15三維不同微結構溫度之熱通量(J/M2-S)*106 47
圖4-16 KN值不同對三維微結構溫度273 K之速度剖面圖 48
圖4-17 KN值不同對三維微結構溫度273 K之溫度剖面圖 49
圖4-18 KN值不同對三維微結構溫度323 K之速度剖面圖 50
圖4-19 KN值不同對三維微結構溫度323 K之溫度剖面圖 51
圖4-20 KN值不同對三維微結構溫度373 K之速度剖面圖 52
圖4-21 KN值不同對三維微結構溫度373 K之溫度剖面圖 53
圖4-22 不同KN值之微結構溫度273 K與上管壁之中線溫度 54
圖4-23 不同KN值之微結構溫度323 K與上管壁之中線溫度 54
圖4-24 不同KN值之微結構溫度373 K與上管壁之中線溫度 54
圖4-25 不同KN值之微結構溫度273 K時之熱通量(J/M2-S)*106 55
圖4-26 不同KN值之微結構溫度323 K時之熱通量(J/M2-S)*106 55
圖4-27 不同KN值之微結構溫度373 K時之熱通量(J/M2-S)*106 55




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論文使用權限
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