等温壁面发散微通道中的压力驱动氮气流

微纳尺度受限几何中的气体流动与传热与宏观尺度存在显著差异，主要源于速度滑移与温度跳跃等非平衡效应。非平衡效应随流体流动特征长度尺度或气体密度的减小而增强，导致标准 Navier-Stokes-Fourier（NSF）方程在预测热与流场时失效。本工作采用直接模拟蒙特卡洛（DSMC）方法研究具有不同发散角和等温壁面的发散微通道中的压力驱动氮气流。针对不同的入口-出口压力比（1.5 $\leq \Pi \leq$ 2.5）、切向动量调节系数和克努森数（0.05 $\leq \mathrm{Kn} \leq$ 12.5），分析了数值模拟得到的热场，覆盖了从滑移到自由分子稀化区。预测了微通道中的热场，可视化了热流线，并讨论了微通道中的传热物理机制。由于稀化效应，热流方向在很大程度上与质量流方向相反。然而，受微通道几何构型与所施加边界条件影响的热梯度与压力梯度之间的相互作用，决定了净热流方向。此外，解释了发散微通道中热分离与冷到热传热（亦称反傅里叶传热）的发生。