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.