基于液滴热流体动力学的多相流体格子Boltzmann模型及应用研究

发布时间：2020-04-13 08:35

【摘要】：液滴和气泡是自然界和工业过程中广泛存在的一类典型物质形态,亦是具有两种物质共存和明确分界面的混合物流动问题。在微尺度下,由于液滴具有很大的比表面积,其体力或环境不均匀压力远小于表面张力,因而液滴形态稳定,可以作为独立的微载体。近年来,液滴已逐步成为微流控芯片上实现快速热质输运的特殊微反应器,也使试剂的过度消耗以及液滴之间的交叉污染得以避免。在可用于微液滴操控的诸多激励中,温度梯度驱动诱发的热毛细力驱动可针对于包括非导电液滴在内的任何流体,因而逐步受到人们的重视。但是,在温度梯度驱动微液滴迁移的实际操作中,液滴蒸发、运动滞后和固着加热器等现象往往制约着液滴的精准操控。为实现对液滴的精准操控,需要进一步对微液滴热运动的物理过程进行探究。格子Boltzmann方法是从介观粒子动力学发展而来的描述流体流动和流体物理的数值方法之一。格子Boltzmann方法既具有微观粒子动力学的优势,又具有动理学的本质,目前已被广泛应用于多相流及其传热传质等多种复杂现象和过程的研究中。因此,采用格子Boltzmann方法来探究微液滴热运动的物理过程具有一定的优势。本论文主要结合格子Boltzmann方法来研究界面微液滴系统的热流体动力学,研究工作包括:建立三相流体热流体动力学模型、发展混合LB-FD(格子Boltzmann有限差分)求解策略和模拟研究界面液滴热流体动力学(界面液滴热毛细迁移和过热液池表面液滴Leidenfrost效应)。主要的研究内容及相关结论如下:(1)基于两组分和三组分的Cahn-Hilliard方程,建立了多相流体界面动力学模型,得到了能够描述三相流体热对流过程中相界面动态变形的数学模型。此外,基于连续表面力概念,给出了两相流和三相流表面张力的表达式,保证了多相流数值计算的稳定性。(2)根据混合LB-FD格式求解多相流问题的思路,引入格子Boltzmann方法以实现对水动力学方程的求解,并采用具有二阶精度的有限差分方法对其它标量输运方程(Cahn-Hilliard方程和温度方程)进行求解。整个求解流程为显式时间推进,程序易并行且适用于较大规模计算。(3)为实现具有较大密度比的轴对称多相流计算,引入与半径相关的分布函数并建立了轴对称格子Boltzmann-BGK模型(LBGK模型)和相应的多松弛模型(MRT-LB模型)。随后,计算了静置液滴Laplace定律、液滴振荡和液滴润湿性问题。结果表明当前轴对称模型在静态液滴模拟中密度可达到1000,而在动态模拟中密度比可达到500。此外,数值结果也证实了轴对称MRT-LB模型相比LBGK模型具有更好的数值稳定性。(4)为描述界面液滴热毛细运动过程,基于三组分Phase Field方法发展了三相热流体动力学模型并采用混合LB-FD格式对该模型进行求解。完成对模型和程序的验证后,模拟了界面液滴热毛细迁移行为,明确了环境流体表面张力系数、液滴变形和环境流体界面变形对液滴迁移行为的影响。这些研究结果可为界面液滴热毛细动力学提供补充。(5)为研究过热液池表面液滴Leidenfrost效应,提出了含有蒸发相变过程的三相流体热水动力学模型,并采用混合LB-FD格式对轴对称条件下的该模型进行了求解。验证模型和程序后,数值模拟了对液池表面液滴Leidenfrost效应,得到了液池表面Leidenfrost液滴系统中液滴体积随时间的变化、液滴和液池表面的形状、蒸汽膜的厚度、流场和温度场等结果。此外,也系统地分析了液池表面液滴Leidenfrost效应及其稳定状态受特征参数的影响,为优化液滴输运及控制提供了理论参考。
【图文】：

1( )qf k C Cq 度量，是一个无量纲量。在上式中，第一项表征梯度自由能密度，，第二项中 (C )体现组分的不互溶性。在 2， (C )取为双势阱形式2 2A B(C C ) (C C)，其分布是 (C )的极值点。这里， 和 k 与界面厚度 D 和表面1 8A BkDC C 326A BC C k ，流体密度 的分布由相分布决定，其定义为( )BB A BA BC CC C 分别为相 A和相B的密度。

图 2.2 平衡态相分布，其中AC 1、BC 1 、 D 4ig. 2.2 The equilibrium of phase withAC 1,BC 1 and D Hilliard[95]基于自由能理论，假设相的界面扩散通量与化相C 随时间变化的方程为2CMt 散参数，也被称为迁移率。方程(2.7)即为Cahn-Hilliard]、Jasnow 和 Vinals[98]等讨论了 Cahn-Hilliard 方程在扩，发展了考虑流体对流影响相C 输运的对流扩散方程( )CC Mt u 数值计算，迁移率M 通常取为相C 的函数。在不可压用方程(2.8)作为相C 的控制方程，由于其源于 Cahn-被称为对流 Cahn-Hilliard 方程，也被简称为 Cahn-H续章节中所提及的 Cahn-Hilliard 方程均指方程(2.8)。
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O35

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本文编号：2625814