Газовая динамика микро- и нанофлюидных систем

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).