Exploration of surface nano structures to control micro thermal flow fields in the high Knudsen number regime

探索表面纳米结构控制高努森数状态下的微热流场

• 批准号: 21K03853
• 负责人: 山口 浩樹
• 金额: $ 2.66万
• 依托单位: Nagoya University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-01 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21K03853/
• 关键词: 高クヌッセン数流れ; 適応係数; 境界条件; 高クヌッセン数流れ; 適応係数; 境界条件

マイクロ・ナノスケールの熱流動場では，比表面積が大きくなることからその構造自体に境界条件の影響を強く受ける．特に高クヌッセン数となる場合，境界条件は流体の分子の固体表面における散乱過程を意味しており，分子の固体表面の状態への適応度を統計的に表す適応係数によって表現できることが知られている．そして，数値解析からは境界条件に適用した適応係数の値の違いだけによってマイクロ熱流動場は大きく変容してしまうことが示されている．この結果は適切な適応係数を持つ固体表面を採用することにより意図した熱流動場を得られる可能性を示唆している．そこで本研究では，様々な技術や材料により実現された表面ナノ構造を持つ固体表面を幅広く探索し，様々な性状の固体表面において適応係数がどのように変化するかを調査し，それらを用いることでマイクロ熱流動場の制御を実現することを目指す．構築した熱輸送に関するエネルギー適応係数と流動抵抗に関する接線方向運動量適応係数をそれぞれ計測するためのシステムを用いて，同一の固体表面試料に対して2つの適応係数の計測を行った．固体表面試料としては典型的なマイクロ・ナノスケールの構造とみなせる粗さの異なる工業表面を選択し，様々な材料を採用した．得られた2つの適応係数を相補的に利用して従来から広く利用されている散乱境界条件モデルへの適合に関する解析を行い，特に軽い気体分子種において特異な結果が得られることを明らかにした．

在微纳米级热流场中，由于比表面积增加，结构本身受到边界条件的强烈影响。特别是，当knussen数量较高时，边界条件是指固体表面上流体分子的散射过程，并且众所周知，它可以通过适应系数表示，这些系数在统计上表示分子对固体表面状态的适应性。数值分析还表明，仅通过应用于边界条件的自适应系数的差异而显着改变了微热流场。该结果表明，可以通过使用适当适应系数的固体表面来获得预期的热流场。在这项研究中，我们将研究各种通过各种技术和材料实现的表面纳米结构的各种固体表面，并研究适应系数如何在各种特性的固体表面上发生变化，并旨在通过使用这些来实现控制微热流场的控制。使用系统测量相同的固体表面样品的两个适应系数，用于测量热传输的能量适应系数和切向动量适应系数的流动阻力。我们选择了具有不同粗糙度的工业表面，可以将其视为典型的微纳米级结构作为固体表面样品，并采用了各种材料。我们使用两个适应系数来补充获得的两个适应系数，以分析过去已广泛使用的散射边界条件模型的兼容性，并揭示了可以获得独特的结果，尤其是对于轻质气态。