物理场控制下两相分离过程的格子Boltzmann方法数值模拟研究

发布时间：2020-06-08 11:05

【摘要】：外物理场控制下的二元相分离是科学实验和工业生产中调控分离相形态的一种重要物理过程和普遍方法,其外场控制的主要手段包括温度场控制、剪切场控制、声场控制和电磁场控制等。相分离也是一种分离相变,其演化过程往往对外部控制环境的微小变化,表现出复杂、敏感、瞬时和多尺度演化的响应特征,例如气液临界相变对温度和压强变化的大尺度敏感响应就是一种典型的二级相变过程。而这种分离相变的多尺度变化特征往往导致其非平衡演化过程在实验上难以连续精确观察,在理论解析的关键描述方面也不够细致全面。因此,准确描述相分离演化过程和深入探究相分离动力学规律,并在多尺度层面上应用数值模拟的方法揭示和刻画相分离的规律、过程与特征,已成为当前模拟计算领域中最为活跃的应用研究前沿之一。目前,在利用外物理场调控多元相分离的数值模拟领域,主要是采用基于网格的数值计算方法,例如有限差分法、有限体积法和有限元法等,这些方法都需要借助额外的界面追踪技术和复杂的耦合物理场实施策略来模拟相分离过程。由于物理场控制下的相分离过程伴随着多组分扩散流、多形态能量流和动量流等耦合的物理过程,特别是多尺度和复杂形态相变界面的产生及运动,使传统的宏观尺度网格方法难以捕获和跟踪大量多尺度、分散和随机的分离相界面。因此,本文引入基于介观背景的格子Boltzmann方法(Lattice Boltzmann Method,LBM),将其介观控制函数与宏观物理外场耦合,建立多种耦合外场作用下的介观相分离模型,来描述外场控制下两相分离的现象与过程,使得模拟过程与结果更加真实和准确细致,所揭示的规律也更接近于物理本质,同时也使如何选择物理场控制参数及其优化分离过程都有据可依和有迹可循。基于上述研究背景与需求,本文的主要研究工作有:(1)通过引入随温度敏感变化的粘度函数,建立了耦合动态粘度和温度场的相分离LBM模型,阐明了热扩散和惯性对流的耦合对相分离的作用过程及规律,系统地刻画了二元非等温的相分离过程。模拟表明,通过调控初始粘度、粘度关于温度的敏感度和热扩散能够成功地控制分离相的形体和界面演化方向。(2)将剪切边界条件引入到热控制的相分离模型中,研究了剪切对流和热扩散的耦合对分离相的形态演化和层数形成的作用规律,并建立起剪切速率、剪切频率和Prandtl数(Pr,表示粘滞力与热扩散的竞争)与形成分离相层数的相图,揭示了剪切速率或剪切频率与Pr数的耦合效应在改变平衡态下分离相的层数和取向性过程中的关键作用。(3)提出了一种超声场作用下油水乳液分离的LBM模型,基于该模型研究了超声场的强度和频率影响油水乳液分离形态演化的规律,并通过系统模拟揭示了如何调控关键参数来提高油水分离的效率和程度,成功地模拟出实验的相关现象,实现提高油水分离的效率和程度。(4)建立了磁场控制下磁性合金溶液分离的LBM模型,揭示了磁场中Hartmann数(Ha,磁场力与粘滞力的比)的变化是如何影响其分离相的形态特征以及对提高分离效率的作用规律。研究得到了符合实验现象的模拟结果,同时更进一步分析了超高磁场控制条件下分离相的形状特征,以期实现分离效率的提高和程度的改善。
【图文】：

第一章 绪 论条件下模拟枝晶体的生长。1999 年，Nestler等人[71]建立了用于组织的相场模型，研究了流动对枝晶生长的影响。2000 年，T流场进行耦合，模拟分析了强迫对流环境下流速和流向对枝晶 年Hecht等人[73]提出了耦合热力学参数的相场模型，并被Qin[7元合金多场凝固过程的相场模型中，得到了与实际相符合的，通过相场与温度场、溶质场及其它外部场的耦合，将分离相各向异性方便地考虑进去，在介观层面有效地刻画了相分离的追踪界面位置，此模型能方便地处理不同相界面上溶质聚集和，还能较大程度避免点阵的各向异性。

第三章 非等温变粘度相分离模拟方程为( ) ( )ee mix eTT u D Tt (3-3)描述了非均匀温度场(3-4)控制下的动力学特征，在变-40)-(1-44)可以得到相分离的化学势和压力张量。结果和讨论模型数值稳定性分析在耦合的格子Boltzmann方法中，通过计算方程(1-40)得到存曲线，其中曲线的左下方区域代表相分离，右上方区域 图 3-2 所示。由 图 3-2 可以知道，特定温度条件下得到合的较好，，表明本章第二节中耦合了变化温度场和法模拟相分离具有一定可靠性。
【学位授予单位】：西北工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O242;O552.6

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本文编号：2702988