微通道中非牛顿流体流动特性的数值模拟

发布时间：2024-04-21 12:43

　　微流控系统具有样品消耗少、检测速度快、多功能集成等特点,在生物化学等领域具有巨大应用潜力。微流控系统中涉及的检测样本多为非牛顿流体,因此,探究微通道内非牛顿流体的流动特性对微流控系统的应用至关重要。本文基于格子Boltzmann方法,在多种构型的分叉微通道内模拟剪切稀化流体的无量纲压力降及速度差值,分析流体特性和微通道几何构型对非牛顿流体流动行为的影响机理。主要研究内容包括:1.将非牛顿流体幂律模型引入牛顿流体格子Boltzmann模型,数值模拟了矩形截面分叉微通道内剪切稀化流体的流动特性,探讨了溶液浓度、入口速度和分叉角度对压力降的影响。结果表明:压力降随着入口速度和溶液浓度的增大而增大,分叉角度为90°的微通道压力降最小,当分叉角度大于90°时,压力降随着分叉角度的增大而减小,当分叉角度小于90°时,压力降随着分叉角度的增大而增大。微通道内各截面处压力降呈抛物线形,最大值出现在微通道中间截面处,流变特性是影响最大的因素。2.模拟了等流量矩形截面分叉微通道内剪切稀化流体的流动特性,分析了流体流变特性和微通道几何构型对非牛顿流体压力降和速度差值的影响。结果表明:分叉角度为90°的微通道...

【文章页数】：70 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

图２．１模拟尺度??Ｆｉｇ．?２．１?Ｓｃａｌｅｓ?ｏｆ?ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ??－１２－??

和边界条件，并通过模拟了二维方腔内顶盖驱动流，验证程序??的准确性。??２．１碰撞算子模型??在格子Ｂｏｌｔｚｍａｎｎ方法中，流体由粒子群代替，粒子流沿着给定的方向（格子链）??迁移并在格子节点处发生碰撞重整，碰撞和迁移过程都是局部的，易于编程，具有良好??的并行性。格子Ｂｏｌｔ....

图２．５反弹格式三??Ｆｉｇ．?２．５?Ｂｏｕｎｃｅ?ｂａｃｋ?ｓｃｈｅｍｅ?ｔｈｒｅｅ??２．?３．?２已知速度边界条件??

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图２．６计算域边界??Ｆｉｇ．?２．６?Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ?ｄｏｍａｉｎ?ｂｏｕｎｄａｒｉｅｓ??西边界未知量为??Ｐｗ＝［／ｏ＋／２＋／４?＋?２（／３＋／６＋／７）］?（２－１２）??

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图２．７计算流程图??Ｆｉｇ．?２．７?Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ?ｆｌｏｗｃｈａｒｔ??－１８－??

?微通道中非牛顿流体流动特性的数值模拟???格子玻尔兹曼方法中非牛顿流体特性的模拟，采用了根据剪切黏度调整松弛时间的??直接方法进行［６３，６４］。首先计算格子的黏度，再根据黏度调整松弛时间。其中，通过式（２．３２）??迭代计算形变速率张量，根据式（２．３３）对剪切速率进行计算?....

本文编号：3960884