近年来,随着航天、微纳机电系统以及真空技术的迅猛发展,有关稀薄气体动力学的一些基础性问题越来越受到人们的关注。其中,我们对气体与表面相互作用以及近壁面区域流动规律的认识还很不充分,而了解其中的机理,对航天飞行器和微纳米元器件的设计及制造都有着非常重要的意义。本文针对微纳尺度气体流动和气体分子在表面的散射分别建立了合理的分子动力学模拟方法,从微观的分子层面对稀薄气体流动机理和气体与表面相互作用机理展开研究,分析了壁面效应、温度效应及努森数对流动的影响规律;计算了不同条件下,气体分子对光滑和粗糙表面的切向动量适应系数(TMAC)、法向动量适应系数(NMAC)及能量适应系数(EAC),并对气体分子在表面的散射特性及能量交换规律进行了定量分析。对纳米通道内气体剪切流动的研究发现,通道内的流场明显分为两个区域:受壁面作用力影响的近壁面区域和不受壁面作用力影响的主流区域。在近壁面约1nm的区域内,气体密度、正应力及剪切应力分布规律仅表现出对气体与壁面相互作用性质的相关性。在不受壁面作用力影响的主流区域,气体的流动规律符合气体动理学定律,气体速度分布符合应力–应变的线性响应关系。通过剪切应力与努森数和剪切率的关联,预测了气体分子在不同条件下对表面的TMAC和粘性系数,结果显示,对于相同的气体和表面,TMAC表现出了对努森数的无关性,而气体的粘性系数则随着努森数的减小而减小。表面性质的改变会导致切向动量适应系数的变化,进而影响流场中的速度分布。壁面弹性系数对TMAC的影响很小,而壁面势能系数和粗糙度壁面的增大会显著地促进气体分子切向动量与表面的适应。随着壁面势能系数的增大会使壁面的吸附能力增强,近壁面区域内的气体密度和速度随之增大,当壁面势能系数增大到一定程度时,气体分子吸附在表面形成吸附层。而表面粗糙度仅造成近壁面区域速度、密度及应力分布的波动,对主流区的影响不明显。对气体分子在表面上的散射特性研究发现,对于相同状况的表面,TMAC、NMAC及EAC都随着来流切向速度的增大而降低,表明切向速度的增大对气体分子在表面的动量和能量适应具有消极作用,而法向速度的增大则有助于气体分子与表面的动量和能量适应。表面粗糙度对气体分子与表面的动量和能量适应有着非常显著地促进作用,当粗糙度足够大时,TMAC接近于1.0,NMAC和EAC趋近于定值,且都表现出对壁面温度和来流速度的无关性。此外,通过对MD和传统散射核模型得到的反射速度分布和速度相关性云图之间的对比,指出了传统散射核模型的局限性。气体分子在光滑表面散射后的速度分布呈现出一种典型的“头肩式”分布,而在粗糙表面上散射后的速度分布未出现这种特征,其散射特征更趋近于漫反射。气体分子以不同能量垂直入射到不同粗糙程度的表面后,对于不同粗糙程度的表面,反射气体分子的切向和法向能量分配呈现出相同的规律。当气体分子以接近于水平的角度入射到光滑表面时,切向和法向的动量和能量变化几乎相互独立,分子反射后的平均切向动量和能量基本保持不变,散射接近于镜面反射。然而,粗糙度改变了切向气体分子与壁面的相互作用模式,促进了气体分子与表面的动量和能量适应。