モンテカルロ直接法によるせまいすきま流れの数値シミュレーション

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サブミクロンオーダーのすきま流れを原子、分子の運動に基礎をおいたボルツマン方程式に基づいて数値シミュレーションを行った。シミュレーション法としてモンテカルロ直接法を用い、低速で運動する大気圧下の気体の流れを数値シミュレーションする方法を確立した。具体的にはコンピュータの補助記憶装置であるハードディスクのヘッドと回転する磁気媒体の間におけるすきま形状を台形とし、2次元流れの仮定の元にシミュレーションを行った。未知量は入口、出口におけるの平均速度、ヘッドに作用する圧力などである。境界条件は入口、出口において圧力は大気圧である。ヘッドの長さに対する最小すきまの比を100〜2000、クヌーセン数は1及び無限大の場合のヘッド上の圧力分布を求めた。媒体の速度はデータ処理の方の限界からその大きさは限定されるが速度が大きいほど、大きな揚力がえられることがわかった。また実用的な3次元の場合には媒体の運動と直角方向の流れの効果はかなり大きいことが明らかになった。しかしながら実用的なヘッドの長さに対する最小すきま比は10000あるいはそれ以上で、この場合についてはきわめて多くの計算機容量のみならず計算時間を必要とする。これは次の理由による。気体分子の速度は熱速度に近く、マクロの速度が小さいために1)時間ステップあたりの移動が小さいこと、2)マクロ量をサンプリングするためにはきわめて多くのサンプルサイズを必要とする。以上の本研究の結果から少なくとも実用的なすきま流れの原子、分子的な数値シミュレーションのアプローチは可能となることが明らかにされた。