随着MEMS技术在生物医学工程领域的广泛应用,微米甚至纳米通道内气体流动与混合的研究已逐渐成为MEMS的一个研究热点,是实现微混合器性能优化、推动MEMS技术发展的关键因素。对于MEMS中的气体流动,由于通道特征尺度小,Knudsen(Kn)数大,流动处于滑流区、过渡区和自由分子区,控制方程为复杂的非线性Boltzmann方程,基于连续介质假设条件的传统模拟方法不再适用,必须采用基于分子运动论及统计规律的方法进行模拟,直接模拟蒙特卡罗(DSMC)方法是模拟高Kn数气体流动非常成功的数值方法。DSMC方法避免了直接求解复杂的Boltzmann方程,而是仿真该方程所描述的物理过程,通过将模拟分子的运动与碰撞解耦,大大减少了计算机时,这是其他方法所不能比拟的。本文首先概述了微机电系统(MEMS)的发展现状及微尺度气体流动与混合的特性,从理论、实验和数值模拟研究三方面回顾了微尺度气体流动的国内外发展概况,对DSMC方法模拟微尺度气体流动与混合的研究现状作了介绍。其次,介绍了蒙特卡罗(MC)方法和随机抽样的基本原理,详细分析了DSMC方法的程序流程和实现方法,通过对分子二元碰撞模型和非线性Boltzmann方程的分析,研究了微尺度气体流动的机理,得出DSMC方法与Boltzmann方程的一致性,为DSMC方法在微尺度气体流动与混合中的应用提供了理论依据。然后,编写了DSMC流场仿真程序,对Bird的标准程序进行了改进和发展,使其能够模拟更加复杂的气体流动。用开发的程序数值模拟了微尺度气体的Couette流动,分析了Kn数对速度、剪切力和温度的影响,通过将模拟结果与滑移边界条件下N-S方程解析解和线性化Boltzmann方程数值解的对比,验证了程序的正确性和DSMC方法的有效性。讨论了网格尺寸和每个网格中模拟分子数这两个主要参数对Couette流动的速度和温度模拟精度的影响。最后,用编写的DSMC仿真程序并结合流体力学分析软件Fluent,数值模拟了T型管微通道内两种气体的混合过程,通过研究气体流动速度、入口压力、气体与壁面温度、微通道尺寸和Kn数对混合长度和混合系数的影响,分析了影响微混合的各种因素,为微气体混合器结构设计的进一步优化提供指导。