隨著現(xiàn)代微加工技術(shù)的飛速發(fā)展，微型化、便攜化已經(jīng)成為了機(jī)械設(shè)備發(fā)展的主要趨勢之一。以MEMS為代表的微型化產(chǎn)品層出不窮，其中一些產(chǎn)品已出現(xiàn)在人們的日常生活中，并逐漸影響著人們的生活方式。目前微加工技術(shù)的發(fā)展水平已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了人們對微尺度下物理規(guī)律的認(rèn)識水平，由于缺乏微觀物理規(guī)律上的指導(dǎo)，現(xiàn)有的微型設(shè)備基本上都是根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)的，因此在性能和效率兩方面都不盡如人意，這也是MEMS發(fā)展的主要瓶頸。

　　流動(dòng)現(xiàn)象普遍存在于微型機(jī)械內(nèi)部，大部分微型設(shè)備就是利用流體的流動(dòng)特性進(jìn)行工作的，如微噴、微泵、微閥和各種微型能源動(dòng)力系統(tǒng)等。微型設(shè)備內(nèi)部通常具有很高的表面體積比，流動(dòng)可以覆蓋連續(xù)介質(zhì)領(lǐng)域、滑流領(lǐng)域甚至過渡領(lǐng)域。隨著Knudsen數(shù)升高，微尺度流動(dòng)表現(xiàn)出明顯不同于宏觀流動(dòng)的特性，比如壁面處會出現(xiàn)速度滑移和溫度跳躍，流動(dòng)的壓縮性變得更加顯著，摩擦系數(shù)和雷諾數(shù)的乘積不再是常數(shù)，壓力驅(qū)動(dòng)的無量綱流量出現(xiàn)了拐點(diǎn)等。當(dāng)流動(dòng)的特征尺度減小到和可以與分子的平均自由程相比擬，流動(dòng)進(jìn)入過渡領(lǐng)域時(shí)，傳統(tǒng)的連續(xù)介質(zhì)模型（Navier-Stokes方程）已經(jīng)無法正確描述流體流動(dòng)的規(guī)律了，這時(shí)需要從分子動(dòng)力學(xué)的層面來描述流體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，控制方程則為Boltzmann方程。但這一方程非常復(fù)雜，無論是解析的方法還是數(shù)值的方法目前都無法直接求解。雖然國際上已經(jīng)發(fā)展出了一些微尺度流動(dòng)的求解方法，如格子Boltzmann方程、BGK方程和Burnett方程等，但這些方法只能夠處理近連續(xù)介質(zhì)區(qū)域的流動(dòng)問題，對過渡領(lǐng)域的流動(dòng)無法準(zhǔn)確描述，無法在精度、效率和穩(wěn)定性方面同時(shí)滿足工程實(shí)際的需求。

　　近日，中國科學(xué)院工程熱物理研究所國家能源風(fēng)電葉片研發(fā)（實(shí)驗(yàn)）中心在微尺度氣體流動(dòng)模型和算法方面開展了一些探索性的研究，研究人員在Boltzmann方程的基礎(chǔ)上提出了一種描述微尺度氣體流動(dòng)的模型——離散速度方向模型。該模型采用離散的分子速度來描述氣體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，減少了Boltzmann方程的三個(gè)動(dòng)量維，從而大幅度地減少了該方程的數(shù)值計(jì)算量，實(shí)現(xiàn)了很高的計(jì)算效率（在連續(xù)介質(zhì)領(lǐng)域計(jì)算量只比ns方程高出幾倍，在滑流和過渡領(lǐng)域計(jì)算量會進(jìn)一步降低）。研究人員已經(jīng)采用該模型進(jìn)行了微尺度流動(dòng)的數(shù)值研究，驗(yàn)證了離散速度方向模型可以在全部流動(dòng)領(lǐng)域內(nèi)給出高精度的數(shù)值解。此外，研究人員還從數(shù)學(xué)層面證明了該模型的控制方程在全部流動(dòng)領(lǐng)域下滿足H定理（H定理為熱力學(xué)第二定律向非平衡態(tài)的擴(kuò)展），從物理層面證實(shí)了該模型具有內(nèi)在的數(shù)值穩(wěn)定基礎(chǔ)。目前研究人員已將該模型應(yīng)用至實(shí)際的工程設(shè)計(jì)研究中，開展了微型能源動(dòng)力系統(tǒng)間隙內(nèi)部流動(dòng)的數(shù)值研究。

　　微尺度氣體流動(dòng)的模型研究及微尺度流動(dòng)機(jī)理的數(shù)值研究成果已經(jīng)發(fā)表在國際雜志Journal of Computational Physics 和 Modern Physics Letters B 上。相關(guān)研究也先后得到了國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“離散速度方向模型的精度和穩(wěn)定性研究”和“973”項(xiàng)目“微型能源動(dòng)力系統(tǒng)的基礎(chǔ)科學(xué)問題研究”的資助。