球形颗粒在微管流中惯性迁移现象的数值研究

发布时间：2021-04-20 07:28

　　在管道泊肃叶流动里,悬浮颗粒与流动相互作用,会由于流体惯性力作用导致颗粒有序迁移和聚集现象,从而自动实现颗粒的分离、移除或者处理。在当前快速发展的微流控领域里,利用颗粒的惯性聚集行为可以实现低成本、高效率的颗粒被动筛分技术,具有广阔的应用前景。颗粒在管道中的输运属于多相流动,除了在极小雷诺数下将惯性作用线性化后能够利用渐近展开法得到近似解,对于工程应用中有限雷诺数下的颗粒输运问题目前还没有理论解。另外,实验观察难以获得颗粒和流场全时空的物理信息。得益于计算机技术和数值方法的快速发展,近年来各类数值方法已经被用来研究惯性迁移,并取得了一定进展。本文采用格子玻尔兹曼方法,对中性悬浮球形颗粒在不同壁面几何形状的管道中的输运过程进行直接数值模拟,获得流场和颗粒的全时空信息。本论文的特色是系统模拟和比较单颗粒、双颗粒和多颗粒在圆管、槽道、方管和矩形管中的输运过程,从而从应用角度更全面地理解颗粒惯性迁移的流体力学机理。本文首先研究了单颗粒在不同壁面形状、雷诺数、颗粒尺寸中的惯性迁移特点。其次对双颗粒在管道流动中的相互影响进行研究,发现在平衡位置的平面内,双颗粒由于颗粒尾流而发生的横向迁移后对齐成链... 

【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校

【文章页数】：106 页

【学位级别】：硕士

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摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
    1.1 课题研究的背景和意义
    1.2 国内外在该方向的研究现状及分析
        1.2.1 国外研究现状
        1.2.2 国内研究现状
        1.2.3 国内外文献综述的简析
    1.3 课题主要研究内容
第2章 数值模拟方法介绍
    2.1 格子玻尔兹曼方法
    2.2 管道边界条件处理
        2.2.1 管道进出口周期性边界条件
        2.2.2 壁面无滑移边界条件
    2.3 颗粒相解析处理
        2.3.1 颗粒表面边界条件处理
        2.3.2 颗粒作用力处理
    2.4 程序框架与并行策略
    2.5 本章小结
第3章 数值方法验证
    3.1 单相流动模拟验证
        3.1.1 二维泊肃叶流动的对比验证
        3.1.2 三维泊肃叶流动的对比验证
    3.2 圆管中单个颗粒迁移的对比验证
    3.3 本章小结
第4章 单颗粒惯性迁移数值研究
    4.1 单颗粒惯性迁移的重要参数
    4.2 二维泊肃叶流动中的颗粒运动信息
    4.3 单颗粒迁移过程的物理图像分析
    4.4 单颗粒在矩形管中的惯性迁移研究
        4.4.1 矩形管中颗粒的特殊迁移现象
        4.4.2 矩形管中颗粒迁移过程的物理图像
    4.5 旋转角速度对颗粒惯性迁移的影响
    4.6 本章小结
第5章 多颗粒在管道流动中的数值研究
    5.1 双颗粒的对齐现象
        5.1.1 双颗粒在槽道流动中的相互作用
        5.1.2 双颗粒在方管流动中的相互作用
    5.2 圆管中多颗粒成链条机理
    5.3 矩形管中多颗粒成链条机理
    5.4 本章小结
结论
参考文献
致谢



本文编号：3149254