温度/化学浓度驱动流体流动的数值模拟研究
发布时间：2021-01-08 08:52
由温度梯度或化学浓度梯度驱动的流动现象不仅常见于日常生活中,而且还广泛存在于工业应用中,这类流动现象主要包括Marangoni效应和自然对流。本文发展了一种能够模拟这类问题的数值方法,结合数值模拟和理论分析研究了自润湿液滴在带有温度梯度平板上的运动以及反应釜加热过程中的流体行为,主要工作如下:（1）基于守恒型Level-Set的界面捕捉方法,提出了能够处理具有扩散效应的可混溶流体的多相界面流动的计算方法。采用改进的扩散对流方程使可混溶流体在界面处满足法向无穿透条件,提出了可混溶流体的中间步以保证该扩散对流方程与守恒型Level-Set方法的相容性,即可对化学浓度梯度引起Marangoni效应进行数值模拟。同时我们也讨论了温度引起的Marangoni效应和自然对流的模拟方法。通过多个算例对于本算法从多个方面进行了验证,展示了本方法的精确性和健壮性。最后我们将该程序应用在液滴在多流体环境中的运动的流动问题,展示了该方法潜在的计算能力和应用价值。（2）数值模拟了自润湿液滴在带有温度梯度平板上的运动,探讨了界面上的表面张力梯度对液滴变形和位移的影响。自润湿流体不同于一般流体（例如油,水等）,其...
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：85 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．１?（ａ）葡萄酒的眼泪示意图［１］，分别展示了壁面处不稳定的脊状结构、接触线以及由于??重力而流下的液滴，即“眼泪”
?第１章绪论???Ｋｉｍｅ／ｆｌ／．?发现液滴和乙醇液池融合是会形成稳定的圆盘形结构，产生稳定的放??射状流场，图１．１（ｂ）分别展不了?ＰＴＶ（ＰａｒｔｉｃｌｅＴｒａｃｋｉｎｇＶｅ丨ｏｃｉｍｅｔｒｙ）实验结果的侧??视图和俯视图，该现象可能在界面清洁和药物制备方面有重要作用。ＣｉｒａｅＭ／．ｍ??的工作中发现了两个或多个无接触的丙二醇液滴通过蒸发效应实现互相吸引效??应，并且在接触后能发生排斥或者追逐的复杂行为，在应用上实现了液滴推进和??自组装的功能。以上这些有趣的现象都是浓度梯度诱导界面发生Ｍａｒａｎｇｏｎｉ效应??导致的。??）〇■？?ｉｎ＾２Ｌｉ??Ｉ?１??ｍｍｍ??ｍｋｓｓｓｓｓｓＳＳＳＢＳ＾ＨＩ??图１．?２?（ａ）三列图像展示了?Ｄａｒｈｕｂｅｒｄａ／．?？通过操纵底部电热丝的温度，从而使液滴发生夹??断、位移和转向。（ｂ）Ｂｊｅｌ〇ｂｒｋｅ？ａ／．〖９】实验中液滴迁移的红外线图像，该实验通过基底表面浸??溃处理克服了接触线迟滞对液滴运动的阻碍，增强了液滴的运动性能。??除了流体中的多种组分会引起Ｍａｒａｎｇｏｎｉ效应，温度也会引起相同的效果。??温度经常能够用作操纵液滴或者气泡运动的手段。Ｂｏｕａｓｓｅ叩］发现附着在倾斜细??丝上的液滴能够逆重力发生爬升，细丝的下端温度高上端温度低，这是由于液滴??两端的表面张力的差异驱动液滴运动。最近的一些研宄通过这种效应操纵液滴在??带有温度梯度平板上运动。如图１．２（ａ）所示，Ｄａｒｈｕｂｅｒｅｆｄ?［８］通过控制底板的温??度从而实现了对管道中的液滴的控制，使其发生了迁移、转弯、夹断的复杂行为，??为微流控领域提供了新的液滴控制的思路。但是温度
?第１章绪论???一方面，在涉及液滴移动或者气泡迁移等问题中，扩散作用会较大的影响界面的??演化，因为液滴或者气泡的位移速度量级上与各相扩散速度相当［７，９］，图１．４展??示了?Ｃｉｒａ?ｅ／?ｉ?［７］实验中液滴的运动过程，可以看到液滴之间发生了复杂的运动??行为，例如吸引、排斥、追逐和融合，这些复杂的行为全部归结于液滴蒸发的蒸??汽对自身以及附近液滴表面张力的影响，而这些过程持续的时间都在秒的量级，??因此可以预见气体扩散效应非常重要。在更加复杂的问题中，扩散作用也起着重??要的作用。例如在Ｋｉｍ?ｅ／ａ／．?１６］的工作中所发现乙醇滴入水面后所形成的圆盘尺??寸就受到了乙醇扩散的影响，其结果展示在图１．１（ｂ）中；在Ｌｉｅ／的实验中??发现油滴在会存在浓度梯度的乙醇溶液的流体中进行反复的跳跃，其最终跳跃的??停止也被认为与两相的混合相关。因此如果在计算此类问题时，扩散效应的准确??计算对于理解流体行为必不可少。??⑷?＿?Ｇｉ??（ｂ）?｜?ｔ?｜—￣Ｉ?Ｉ?Ｉ?—￣Ｉ?＾?Ｉ?？ｉ?Ｉ?＃??？?ｉ．丨？丨？?ｉ？丨；丨１丨響丨－??Ｏｓ?２ｓ?４￥?６ｓ?８ｓ?１０８?ｉＳｉ?Ｕｓ?１６?ｓ?１８?Ｓ??Ｌｏｎｇｈｒａｎｇ＾?ａｔｔｆ？ｃｔｉ〇ｏ?Ｓｔ？ｏｎ－ｆａｎｇ？?ｃｈａ？ｎｇ??（ｃ）?Ｔ￣￣＼??？?‘?＇参參、ｆ?％?％?，上??ＯＳ?？＆?４Ｓ?＆Ｓ?ｄｓ?１０ｓ?１２＊?１４?Ｓ?１６Ｓ?ＴＳｓ??ｌｏｎ９－ｒａｒ＾＆?？ｔｎＫ３〇ｎ?Ｃｏａｉｍｃｍ：＊??图１．?４?（ａ）?２分钟内玻片上的不同浓度的被染成不同颜色的丙二醇液滴运动轨迹的叠
本文编号：2964299
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：85 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．１?（ａ）葡萄酒的眼泪示意图［１］，分别展示了壁面处不稳定的脊状结构、接触线以及由于??重力而流下的液滴，即“眼泪”
?第１章绪论???Ｋｉｍｅ／ｆｌ／．?发现液滴和乙醇液池融合是会形成稳定的圆盘形结构，产生稳定的放??射状流场，图１．１（ｂ）分别展不了?ＰＴＶ（ＰａｒｔｉｃｌｅＴｒａｃｋｉｎｇＶｅ丨ｏｃｉｍｅｔｒｙ）实验结果的侧??视图和俯视图，该现象可能在界面清洁和药物制备方面有重要作用。ＣｉｒａｅＭ／．ｍ??的工作中发现了两个或多个无接触的丙二醇液滴通过蒸发效应实现互相吸引效??应，并且在接触后能发生排斥或者追逐的复杂行为，在应用上实现了液滴推进和??自组装的功能。以上这些有趣的现象都是浓度梯度诱导界面发生Ｍａｒａｎｇｏｎｉ效应??导致的。??）〇■？?ｉｎ＾２Ｌｉ??Ｉ?１??ｍｍｍ??ｍｋｓｓｓｓｓｓＳＳＳＢＳ＾ＨＩ??图１．?２?（ａ）三列图像展示了?Ｄａｒｈｕｂｅｒｄａ／．?？通过操纵底部电热丝的温度，从而使液滴发生夹??断、位移和转向。（ｂ）Ｂｊｅｌ〇ｂｒｋｅ？ａ／．〖９】实验中液滴迁移的红外线图像，该实验通过基底表面浸??溃处理克服了接触线迟滞对液滴运动的阻碍，增强了液滴的运动性能。??除了流体中的多种组分会引起Ｍａｒａｎｇｏｎｉ效应，温度也会引起相同的效果。??温度经常能够用作操纵液滴或者气泡运动的手段。Ｂｏｕａｓｓｅ叩］发现附着在倾斜细??丝上的液滴能够逆重力发生爬升，细丝的下端温度高上端温度低，这是由于液滴??两端的表面张力的差异驱动液滴运动。最近的一些研宄通过这种效应操纵液滴在??带有温度梯度平板上运动。如图１．２（ａ）所示，Ｄａｒｈｕｂｅｒｅｆｄ?［８］通过控制底板的温??度从而实现了对管道中的液滴的控制，使其发生了迁移、转弯、夹断的复杂行为，??为微流控领域提供了新的液滴控制的思路。但是温度
?第１章绪论???一方面，在涉及液滴移动或者气泡迁移等问题中，扩散作用会较大的影响界面的??演化，因为液滴或者气泡的位移速度量级上与各相扩散速度相当［７，９］，图１．４展??示了?Ｃｉｒａ?ｅ／?ｉ?［７］实验中液滴的运动过程，可以看到液滴之间发生了复杂的运动??行为，例如吸引、排斥、追逐和融合，这些复杂的行为全部归结于液滴蒸发的蒸??汽对自身以及附近液滴表面张力的影响，而这些过程持续的时间都在秒的量级，??因此可以预见气体扩散效应非常重要。在更加复杂的问题中，扩散作用也起着重??要的作用。例如在Ｋｉｍ?ｅ／ａ／．?１６］的工作中所发现乙醇滴入水面后所形成的圆盘尺??寸就受到了乙醇扩散的影响，其结果展示在图１．１（ｂ）中；在Ｌｉｅ／的实验中??发现油滴在会存在浓度梯度的乙醇溶液的流体中进行反复的跳跃，其最终跳跃的??停止也被认为与两相的混合相关。因此如果在计算此类问题时，扩散效应的准确??计算对于理解流体行为必不可少。??⑷?＿?Ｇｉ??（ｂ）?｜?ｔ?｜—￣Ｉ?Ｉ?Ｉ?—￣Ｉ?＾?Ｉ?？ｉ?Ｉ?＃??？?ｉ．丨？丨？?ｉ？丨；丨１丨響丨－??Ｏｓ?２ｓ?４￥?６ｓ?８ｓ?１０８?ｉＳｉ?Ｕｓ?１６?ｓ?１８?Ｓ??Ｌｏｎｇｈｒａｎｇ＾?ａｔｔｆ？ｃｔｉ〇ｏ?Ｓｔ？ｏｎ－ｆａｎｇ？?ｃｈａ？ｎｇ??（ｃ）?Ｔ￣￣＼??？?‘?＇参參、ｆ?％?％?，上??ＯＳ?？＆?４Ｓ?＆Ｓ?ｄｓ?１０ｓ?１２＊?１４?Ｓ?１６Ｓ?ＴＳｓ??ｌｏｎ９－ｒａｒ＾＆?？ｔｎＫ３〇ｎ?Ｃｏａｉｍｃｍ：＊??图１．?４?（ａ）?２分钟内玻片上的不同浓度的被染成不同颜色的丙二醇液滴运动轨迹的叠
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