Numerical and experimental investigations are performed for the molecular transition and slip flows in pumping channels of a disk-type drag pump. The flow occurring in the pumping channel develops from the molecular transition to the slip flow traveling downstream. Two different numerical methods are used in this analysis: the first one is a continuum approach in solving the Navier-Stokes equations with slip boundary conditions, and the second one is a stochastic approach through the use of the direct simulation Monte Carlo method. In the experimental study, the inlet pressures are measured for various outlet pressures in the range of 0.1{\sim}4Torr. From the present study, the numerical results of predicting the performance, obtained by both methods, agree well with the experimental data for the range of Knudsen number $Kn{\leq}0.1$ (i.e., the slip flow regime). But the results from the second method only agree with the experimental data for Kn>0.1(i.e., the molecular transition regime)
Knudsen number is the ratio of molecular mean free path versus mm thickness and the criterion to determine the flow form. When its value is lower than 0.01, the flow can be assumed to has no slip boundary condition. And in the case that the value is between 0.01 and 10, then the flow has slip boundary condition at both the adjacent walls. The condition of the air flow between the rotating journal and top foil in the air foil bearing is determined by the rotating speed and load, and the Knudsen number is also varied by those values. Because the molecular mean free path is variable to the pressure and temperature, more exact formulation is necessary to understand and analyze the flow regime. In this study, the analysis considering Knudsen number formulated with those variables (pressure, temperature and mm thickness) was executed. The approximate value was examined using the equation to confirm whether the flow has the slip or no-slip boundary condition. From the analytic investigation, it was decided to range approximately 0.01 to 1.0 and the flow can be supposed to have the slip boundary condition. Under the condition of the slip flow, the static characteristics of the air foil bearing were examined using modified Reynolds equations. The results were compared with those considering no slip condition. It shows that the slip condition makes the flow decelerates and the load carrying capacity decreases compared with no slip condition. And as the bearing number and eccentricity ratio increase, the load carrying capacity also increased at both the cases. From this result, it can be supposed that the bearing torque also increases. In the analysis of the dynamic characteristics, the perturbed Knudsen number was taken into consideration. Because the Knudsen number is expressed as the terms of each variable, the perturbed equation can be simply derived. The results of both cases considering and not considering Knudsen number were compared each other. In the case of the direct terms of the stiffness and damping coefficients, the difference between both cases was little and increased as the bearing number and eccentricity ratio increased. And the cross terms have less or more differences.
The slip effect from the molecular interaction between fluid particles and solid surface atoms plays a key role in microscale fluid transport and heat transfer since the relative importance of surface forces increases as the size of the system decreases to the microscale. There exist two models to describe the slip effect: the Maxwell slip model in which the slip correction is made on the basis of the degree of shear stress near the wall surface and the Langmuir slip model based on a theory of adsorption of gases on solids. In this study, as the first step towards developing a general purpose numerical code of the compressible Navier-Stokes equations for computational simulations of microscale fluid flow and heat transfer, two slip models are implemented into a finite element numerical code of a simplified equation. In addition, a pressure-driven gas flow in a microchannel is investigated by the numerical code in order to validate numerical results.
Recently micro shock tube is extensively being used in many diverse fields of engineering applications but the detailed flow physics involved in it is hardly known due to high Knudsen number and strong compressibility effects. Unlike the macro shock tube, the surface area to volume ratio for a micro shock tube is very large. This unique effect brings many complexities into the flow physics that makes the micro shock tube different compared with the macro shock tube. In micro shock tube, the inter- molecular forces of working gas can play an important role in specifying the flow characteristics of the unsteady shock wave flow which is essentially generated in all kinds of shock tubes. In the present study, a CFD method was used to predict and visualize the unsteady shock wave flows using the unsteady compressible Navier-Stokes equations, furnished with the no-slip and slip wall boundary conditions. Maxwell's slip equations were used to mathematically model the shock movement at high Knudsen number. The present CFD results show that the propagation speed of the shock wave is directly proportional to the initial pressure and diameter of micro shock tube.
This paper presents a method to predict the transient characteristic of the air lubricated slider head in a hard disk drive by using optimization technique. The time dependent modified Reynolds equation based on the molecular slip flow approximation equations was used to describe the fluid flow within the air bearing and the implicit finite difference scheme is applied to calculate the pressure distribution under the slider head. The exhaustive search combined with the Broyden-Fletcher-Goldfarb-Shanno method were employed to obtain optimum design variables which are taper angle, rail width and taper length in order to keep the forces and moments acting on the slider head in dynamic equilibrium. The results show that the optimal head slider of the magnetic head has good stability characteristic that can reach the steady state within 0.5 microsecond.
Numerical and experimental investigations are peformed for the rarefied gas flows in pumping channels of a helical-type drag pump. Modern turbomolecular pumps include a drag stage in the discharge side, operating roughly in $10^{-2}{\sim}10Torr$. The flow occurring in the pumping channel develops from the molecular transition to slip flow traveling downstream. Two different numerical methods are used in this analysis: the first one is a continuum approach in solving the Navier-Stokes equations with slip boundary conditions, and the second one is a stochastic particle approach through the use of the direct simulation Monte Carlo(DSMC) method. The flow in a pumping channel is three-dimensional(3D), and the main difficulty in modeling a 3D case comes from the rotating frame of reference. Thus, trajectories of particles are no longer straight lines. In the Present DSMC method, trajectories of particles are calculated by integrating a system of differential equations including the Coriolis and centrifugal forces. Our study is the first instance to analyze the rarefied gas flows in rotating frame in the presence of noninertial effects.
The present research proposes a pressure based approach along with Langmuir slip condition for predicting microscale fluid flows. Using this method, gaseous slip flows in 2 -dimensional microchannels are numerically investigated. Compared to the DSMC simulation, statistical errors could be avoided and computing time is much less than that of the aforementioned molecular approach. Maxwell slip boundary condition is also studied in this research. These two slip conditions give similar results except for the pressure nonlinearity at high Knudsen number regime. However, Langmuir slip condition seems to be more promising because this does not need to calculate the streamwise velocity gradient accurately and to calibrate the empirical accommodation coefficient. The simulation results show that the proposed method using Langmuir slip condition is an effective tool for predicting compressibility and rarefaction in microscale slip flows.
The static characteristics of air-lubricated slider bearing were performed using direct numerical method. The equations of motion of slider bearing are solved simultaneously with the Reynolds equation for three degrees of freedom. The molecular rarefaction effect is considered. The models implemented include the first-order slip, the second-order slip, and the Boltzmann equation model derived by Fukui and Kaneko(FK model)
The nanofluidics is characterized by a large surface-to-volume ratio, so that the surface properties strongly affect the flow resistance. We present here the results showing that the effect of wetting properties and the surface roughness may considerably reduce the friction of fluid past the boundaries. For a simple fluid flowing over hydrophilic and hydrophobic surfaces, the influences of surface roughness are investigated by the nonequilibrium molecular dynamics (NEMD) simulations. The fluid slip at near a solid surface highly depends on the wall-fluid interaction. For hydrophobic surfaces, apparent fluid slips are observed on smooth and rough surfaces. The solid wall is modeled as a rough atomic sinusoidal wall. The effects on the boundary condition of the roughness characteristics are given by the period and amplitude of the sinusoidal wall. It was found that the slip velocity for wetting conditions at interface decreases with increasing effects of surface roughness. The results show the surface rougheness and wettability determines the slip or no-slip boundary conditions. The surface roughness geometry shows significant effects on the boundary conditions at the interface.
A simple analytical model of rarefied channel flow is developed to predict the compression ratio in a helical drag pump. If the surface velocity is zero, the model reduces to a capillary leaks. Predictions of our model agree well with the Knudsen's data for capillary leaks in transition flow, in addition to giving a good account of the Knudsen minimum. Also, the present results are compared with experimental data, and good agreement is obtained over the entire pressure range from molecular to slip flow.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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