分子气体稀薄效应的动理学建模

稀薄气体效应,是指气体在特征尺度与其分子平均自由程相当的系统中流动时出现的非平衡效应。相比于单原子气体,分子气体(每个气体分子包含两个及以上原子)流动因同时具有转动、振动等多种自由度的非平衡过程,其稀薄效应更为复杂。分子气体稀薄效应在航空航天、微机电系统和页岩气开采等民生、科技领域广泛存在,而描述该效应的动理学模型与数值模拟方法尚不成熟。本文从单原子气体与玻尔兹曼方程出发,介绍气体动理学建模的相关研究现状,针对分子气体特性详细讨论气体弛豫过程与输运系数的关系。针对典型的稀薄气体流动验证常用的模型方程的精度,并指出直接模拟蒙特卡罗方法在分子气体稀薄流动应用中存在的问题,即在体积黏性确定的情况下无法指定热流弛豫速率及恢复热导率。随后针对此问题,使用吴模型量化研究该弛豫速率在分子气体稀薄流动模拟中导致的宏观量的不确定性,并讨论从分子动力学模拟和瑞利-布里渊散射实验中减小甚至消除不确定性的方法。本文对涉及化学反应的稀薄气体流动建模有指导意义。