Rarefied gas flows through two-dimensional micro channels are studied numerically for the performance optimization of a nanomembrane-based Knudsen compressor. The effects of the wall temperature distributions on the thermal transpiration flow patterns are examined. The flow has a pumping effect, and the mass flow rates through the channel are calculated. The results show that a steady one-way flow is induced for a wide range of the Knudsen number. The DSMC(direct simulation Monte Carlo) method with VHS(variable hard sphere) model and NTC(no time counter) techniques has been applied in this work to obtain numerical solutions.
Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences
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v.30
no.5
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pp.32-40
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2002
The study of nonlinear gas transport in rarefied condition or associated with the microscale length of the geometry has emerged as an interesting topic in recent years. Along with the DSMC method, several fluid dynamic models that come under the general category of the moment method or the Chapman-Enskog method have been used for this type of problem. In the present study, on the basis of Eu's generalized hydrodynamics, computational models for diatomic gases are developed. The rotational nonequilibrium effect is included by introducing excess normal stress associated with the bulk viscosity of the gas. The new models are applied to study the one-dimensional shock structure and the multi-dimensional rarefied hypersonic flow about a blunt body. The results indicate that the bulk viscosity plays a considerable role in fundamental flow problems such as the shock structure and shear flow. An excellent agreement with experiment is observed for the inverse shock density thickness.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.21
no.4
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pp.509-517
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1997
Results of flat plate compressible boundary layer calculation, based on discrete formulation of DSMC method, are presented in low Mach number and low Knudsen number range. The free stream is a uniform flow of pure nitrogen at various Mach numbers in low pressures (i.e. rarefied gas). Complete thermal accommodation and diffuse molecular reflections are used as the wall boundary condition, replacing unreal no-slip condition used in continuum calculations. In the discrete formulation of DSMC method, there is no need to use ad hoc assumptions on transport properties like viscosity and thermal conductivity, instead viscosity is calculated from values of other field variables (velocity and shear stress). Also the results are compared with existing self-similar continuum solutions. In all Mach number cases computed, velocity slip is most pronounced in regions near the leading edge where continuum formulation renders the solution singular. As the boundary layer develops further downstream, velocity slips asymptote to values that are between 10 to 20% of the magnitude of free stream velocity. When the free stream number density is reduced, so the gas more rarefied, the velocity slip increases as expected.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.26
no.10
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pp.1406-1418
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2002
The direct simulation Monte Carlo(DSMC) method is employed to calculate the etch rate on Al wafer. The etchant is assumed to be Cl$_2$. The etching process of an Al wafer in a helicon plasma etcher is examined by simulating molecular collisions of reactant and product. The flow field inside a plasma etch reactor is also simulated by the DSMC method fur a chlorine feed gas flow. The surface reaction on the Al wafer is simply modelled by one-step reaction: 3C1$_2$+2Allongrightarrow1 2AIC1$_3$. The gas flow inside the reactor is compared for six different nozzle locations. It is found that the flow field inside the reactor is affected by the nozzle locations. The Cl$_2$ number density on the wafer decreases as the nozzle location moves toward the side of the reactor. Also, the present numerical results show that the nozzle location 1, which is at the top of the reactor chamber, produces a higher etch rate.
The heat transfer characteristics of rarefied flows in a micro-actuator are studied numerically. The effect of Knudsen number (Kn) on the heat transfer of the micro-actuator flows is also examined. The Kn based on gas density and characteristic dimension is varied from near-continuum to highly rarefied conditions. Direct simulation Monte Carlo calculations have been performed to estimate the performance of the micro-actuator. The results show that the magnitude of the temperature jump at the wall increases with Kn. Also, the heat transfer to the isothermal wall is found to increase significantly with Kn.
Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences
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v.31
no.2
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pp.1-9
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2003
In the present study, a 3-D Parallel DSMC method in developed on unstructured meshes for the efficient simulation of rarefied gas flows. Particle tracing between cells in achieved based on a linear shape function extended to three dimensions. For high parallel efficiency, successive domain decomposition is applied to achieve load balancing between processors by accounting for the number of particles. A particle weighting technique is also adopted to handle flows containing gases of significantly dirrerent number densities in the same flow domain. Application is made for flow past a 3-D delta wing and the result is compared with that from experiment and other calculation. Flow around a rocket payload at 100km altitude is also solved and the effect of plume back flow from the nozzle in studied.
Experimental investigations are performed for the rarefied gas flows in a disk-type drag pump (DTDP). The pump considered in this paper consists of grooved spiral channel on rotors and planar stators. The flow-metre method is adopted to calculate the pumping speed. Compression ratio and pumping speeds for the nitrogen gas are measured under the inlet pressure range of $0.001{\sim}4$ Torr. The maximum of compression ratio was about 3300 for three-stage DTDP, 1000 for two-stage and 100 for single-stage DTDP at zero throughput. The number of stage influences the pumping speed of DPDT
이차원 노즐을 통하여 저밀도 환경으로 팽창하는 희박류의 분석에 있어서 불연속좌표법과 결합된 유한차분법(finite-difference method coupled with the discrete-ordinate method, FDDO)과 직접모사법(direct-simulation Monte-Carlo method, DSMC)이 비교되었다. FDDO를 이용한 분석에서는 충돌적분모델을 도입하여 간단해진 볼츠만식(Boltzmann equation)이 불연속좌표법을 이용하여 물리적 공간에서는 연속이나 분자속도 공간에서는 불연속좌표로 표시되는 편미분방정식군으로 변환되어 유한차분법에의하여 수치해석 되었다. 직접모사법에서는 분자모델로 가변강구모델(variable hard sphere model, VHS)이, 충돌샘플링모델로는 비시계수법(no time counter method, NTC)이 채택되었다. 전혀 다른 두 가지 방법에 의한 노즐 내부에서의 유체흐름 해석결과는 매우 잘 일치하였으며, 노즐 외부의 plume 영역에서는 FDDO에 의한 해석결과가 직접모사법에 의한 해석결과에 비하여 약간 느린 팽창을 보였다.
Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences
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v.30
no.7
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pp.90-97
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2002
Wall slip models are essential to the study of nonequilibrium gas transport in rarefied and microscale condition that can be found in gas flows associated with aerospace vehicle, propulsion system, and MEMS. The Maxwell slip model has been used for this type of problem, but it has difficulty in defining the so-called accommodation coefficient and has not been very effective in numerical implementation. In the present study, on the basis of Langmuir's theory of the adsorption of gases on metals, a physical slip model is developed. The concept of the accommodation coefficient and the difference of gas particles are clearly explained in the new model. It turned out that the Langmuir model recovers the Maxwell model in the first-order approximation. The new models are also applied to various situations including internal flow in a microchannel. Issues of validation of models are treated by comparing analytic results with experiment.
International Journal of Aeronautical and Space Sciences
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v.1
no.2
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pp.1-8
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2000
The flow in low-density plumes expanding into a region of finite pressure shows a quite different behavior from that observed in low-density plumes expanding into a vacuum. The flow structure in the plume varies depending on applied ambient and stagnation chamber conditions. In the present study, the direct simulation Monte-Carlo (DSMC) method based on molecular gas dynamics is employed in the analysis of low-density gas flows expanding through a small converging/diverging nozzle. Special attention has been paid to the effect of non-zero ambient and stagnation pressures on the flow structure which has rarely been studied using the DSMC method.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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