微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System,MEMS)作为一种新型微型化系统,在电子散热、航空航天、能源环境等领域都有重要应用前景,已引起了国内外学者的广泛关注。其中微能源动力系统涉及微尺度气体-颗粒两相流动换热过程,而目前有关微尺度单相气体流动阻力和换热特性研究尚存在诸多争议,同时微尺度气粒两相流相关研究鲜有报道。为此,本文将围绕上述问题开展深入研究,主要包括以下三方面内容:1.微尺度气体LB模型研究本文构建微尺度下等温/非等温LB模型,重点针对滑移区复杂气-固边界存在速度滑移现象,提出了一种基于格子Boltzmann方法的非平衡态外推与有限差分相结合的曲边界处理新格式。该格式具有可考虑实际物理边界与网格线偏移量的优势,较传统half-way DBB(Diffusive Bounce-Back)格式更能准确反映实际边界情况,该格式还可同时获取壁面处气体宏观量及其法向梯度等信息。采用本文所提模型与曲边界处理格式模拟分析了直边界情况下压力驱动微尺度Poiseuille流、考虑粘性加热效应的微尺度热Couette流以及恒定压力梯度驱动的微Poiseuille流和曲边界情况下滑移区微圆柱气体绕流、同心微圆柱面旋转Couette流及微圆环内气体纯导热问题。研究结果表明,采用本文所提模型与边界处理格式所得结果和理论值以及文献结果符合良好,适用于处理具有复杂边界的滑移区气体流动换热问题。2.微尺度气体流动阻力和换热特性研究采用本文构建的微尺度下考虑粘性热耗散和压力功的总能形式双分布函数格子Boltzmann模型,研究不同驱动方式(速度/压力驱动)、不同热边界(恒壁温/恒热流)下平直微通道内气体流动传热特性。结果表明,在速度驱动方式下,Kn数对微通道内气体流动特性的影响在不同热边界条件下较为一致,而对气体传热性能的影响截然不同。在相同热边界条件下,不同驱动方式下的稀薄效应对微通道内气体换热特性影响基本相同。此外还得到了压力驱动方式下,进出口压力比、壁面温度/热流密度等因素对不同热边界条件下微通道内气体换热特性的影响规律有所不同。3.微尺度气体-颗粒两相流动换热研究采用本文提出的滑移区曲边界处理新格式对静止微颗粒周围流场及温度场进行了计算,分析讨论了克努森数、雷诺数、普朗特数对微颗粒附近气体流动换热特性影响。同时,采用新格式对水平及竖直微通道内的气粒两相流进行研究,分析稀薄效应及颗粒的相对位置对颗粒运动轨迹的影响。发现稀薄效应的存在使得颗粒剪切升力变小,趋于平衡位置所需时间变长。值得注意的是,传统half-way DBB方法计算微颗粒速度时,由于其处理过程中将边界刻画为阶梯状,故计算结果将出现较大震荡,而本文提出的滑移区曲边界处理格式的计算结果更为稳定。