Moleküler dinamik simülasyonlarında farklı sınır şartlarının geliştirilmesi

Abstract

Knudsen sayısı moleküllerin ortalama serbest yolunun karakteristik uzunluğa oranı ile tanımlanır. Bu oran Kn-ilişkili akış rejimlerinin özelliklerini ortaya çıkarır. Bu rejimler sürekli (Kn<0.001), kayma (0.0110) rejimlerdir. Yüksek Kn sayılı problemlerde sürekli ortam modelleri geçerliliğini yitirmeye başladığından Moleküler Dinamik (MD), Direkt Simülasyon Monte Carlo (DSMC) ve Hesaplamalı Akışkan Dinamiği(CFD)'nin bir sınıfı olan Lattice Boltzman metodu (LBM) gibi moleküler etkileşime dayanan metodlardan yararlanılır. Bu çalışmada Olay Güdümlü Moleküler Dinamik simülasyonu yazılımı ile gözenekli ortam içinden ve iki paralel plaka arasındaki yarık içinden akış problemlerinin çözümü için sınır koşulları geliştirilmiştir. Kübik dizilimli kürelerden oluşan gözenekli ortam simüle edilmiştir. Couette akışı için verilen bir vizkozite modeli gözenekli ortam için uyarlanmıştır. Moleküllerin gözenekli ortam içinde kat ettikleri toplam ortalama yol hesaplanarak kıvrımlılık elde edilmiştir. Böylece, akış oranı, vizkozite ve kıvrımlılığın Kn, küre çapı ve gözenekliliğe bağımlılığı elde edilmiştir. Ayrıca Knudsen sayısının molekül-küre ve molekül-molekül çarpışma frekansı oranı ile bir faktör kadar orantılı olduğu bulunmuştur. Dağınık yansıma yapan iki plaka arasına yerleştirilen yarık tipli bir engel simüle edilmiştir. Çeşitli yarık geometrilerinde akışa ait makroskobik özelliklerin akış yönünde dağılımının Knudsen sayısına bağımlılığı elde edilmiştir. Nano dar boğazlarda Mach diski oluşumunun Kn ve yarık geometrisine bağımlılığı tespit edilmiştir. Ayrıca yarık etrafındaki girdap oluşumlarının şekli, boyutu ve konumunun hem Kn hem de yarı geometrisine bağımlılığı gösterilmiştir. Her iki problem için Kn geçiş rejimi aralığında incelenmiş ve farklı kurulum durumlarında yapılan simülasyonların literatürdeki benzerleri ile karşılaştırıldığında uyumlu sonuçlar verdiği görülmüştür.The Kn number is defined by the ratio of the mean free path of the molecules to the characteristic length. This ratio reveals the characteristics of Kn-related flow regimes. These regimes are continuous (Kn <0.001), slip (0.01 10) regimes. As the continuum models begin to lose their validity in high-Kn number problems, molecular interaction-based methods such as Molecular Dynamics (MD), Direct Simulation Monte Carlo (DSMC) and the Lattice Boltzman method (LBM), a class of Computational Fluid Dynamics (CFD), are used. In this study, boundary conditions have been developed for the solution of flow problems through the porous medium and through the slit between two parallel plates using Event Driven Molecular Dynamics simulation software. The porous media consisting of cubically arranged spheres has been simulated. A given viscosity model for Couette flow is adapted for porous media. Tortuosity was obtained by calculating the total average distance the molecules traveled in porous media. Thus, the dependence of flow rate, viscosity and tortuosity on Kn, sphere diameter and porosity was obtained. It has also been found that the Knudsen number is proportional to the ratio of molecule- sphere and molecule-molecule collision frequency by a factor. A slit-type obstacle placed between two parallel diffuse reflective plates is simulated. The dependence of the flow direction distribution of macroscopic features of the flow in various slit geometries on the Knudsen number was obtained. The dependence of Mach disc formation on Kn and slit geometry in nano narrow throats has been determined. The dependence of the shape, size and location of vortices formations around the slit on both Kn and the slit geometry is also shown. For both problems, Kn was examined in the transition regime range and simulations made in different setup cases were found to give compatible results when compared with similar ones in the literature.