Mikro Akışların Sonlu Elemanlar Yöntemi İle Analizi

Abstract

Standart şartlar altında, havanın bir MEMS içerisindeki hareketi sırasında, ortalama serbest uzaklığın akışa ait karakteristik boya oranının büyük olması sebebi ile seyrelmiş gaz akışı söz konusu olur. Kayma bölgesinde yer alan bu tip akışlar, sınır şartlarının uygun şekilde değiştirilmesi koşuluyla Navier-Stokes çözücüler gibi sürekli ortam yaklaşımına dayalı modeller kullanılarak analiz edilebilirler. Bu çalışmada, Karakteristik Tabanlı Ayırma algoritmasına ait kaymama ve sıcaklık değerlerinde sıçrama olmaması koşulları, kayma-hızı ve sıcaklık-sıçraması sınır şartlarını sağlayacak şekilde değiştirilmiştir. Buna ek olarak, hareketli sınırlara sahip akış problemlerinin modellenebilmesi için, hareketli ve deformasyona uğrayan ağ yaklaşımı, Keyfi-Lagrangian–Euleri formülasyonu kullanılarak algoritma ile bütünleştirilmiştir. Kullanılan algoritmanın kapalı yöntemle hesaplama yapılan kısmının büyüklüğü, sanki- ikinci-derece-hız/lineer-basınç (pP2P1) elemanlarının Sonlu Elemanlar uygulamasında kullanılmasıyla azaltılmıştır. Algoritmanın gelişen kapasitesi kullanılarak, sıkıştırılamaz akıştan sıkışabilire, sürekliden seyrelmiş gaz akışına kadar birçok akış problemi çözülmüş ve kapsamlı analizler gerçekleştirilmiştir. Bu problemlerden, ters basamak içindeki laminer akış ve NACA0012 etrafındaki viskoz akış sürekli bölgede yer alırken, mikro sentetik jet eyleyici akışı, mikro kanal içindeki akış ve mikro boyutlu ters basamak içindeki ayrılan akım problemleri kayma bölgesinde yer almaktadır. Elde edilen sonuçların literatürdekilerle karşılaştırılması sonucunda, yapılan değişikliklerle söz konusu algoritmanın kayma bölgesinde yer alan mikro akış problemlerinin çözümünde etkin bir şekilde kullanılabileceği görülmüştür.

At standard temperature and pressure, air flow in MEMS can be considered as rarefied since the ratio of free molecular path to the characteristic length of the device is high. It is possible to analyze these flows using a continuum model such as Navier-Stokes, with modified boundary conditions. In this study, traditional no-slip/no-temperature-jump boundary condition of the Characteristic-Based-Split algorithm is modified to accommodate slip velocity/temperature-jump boundary conditions. In addition to this, moving deforming mesh concept is coupled with the algorithm using Arbitrary-Lagrangian-Eulerian approach to model fluid flow problems with moving boundaries. To reduce the size of implicit part of the algorithm, pseudo-quadratic velocity/linear pressure (pP2P1) elements are employed for Finite Element implementation. Using extended capability of the algorithm, gas flow problems varying from incompressible to compressible, from continuum to rarefied are solved and comprehensive analyses are done. Laminar flow past a backward facing step and laminar viscous flow over NACA0012 are the flow problems in continuum regime, while the Micro synthetic jet actuator flow, micro channel flow and separated flow in a micro backward facing step are flow problems in slip regime investigated numerically in this study. Comparison of the results, obtained using modified algorithm, with the results available in literature shows that the implementation of the algorithm is applicable and effective for micro flows in slip regime.