基于晶格玻尔兹曼方法的微尺度流动理论研究

发布时间：2017-05-27 07:09

  本文关键词：基于晶格玻尔兹曼方法的微尺度流动理论研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：微尺度流动作为一门新兴科学广泛地应用于微机电系统、微纳系统、生物芯片以及航天航空等众多领域。小剂量、高精确度、高灵活度驱动和控制流体是微流体操作设备的关键技术。尺度的减小使得原本在宏观领域被忽略的因素,在微尺度流动中占据重要地位,因此传统的宏观流体驱动方式和传热特点不适合微尺度流动系统,探索新的驱动方式以及微尺度流动特殊性质对传热产生的影响是目前研究的重点。另外一方面,由于微尺度流动的不连续性,基于连续介质假设的经典流体动力学方法不再适用,同时基于离散粒子的分子动力学因其巨大的计算量难以得到广泛的应用。以微观粒子动力学为背景的介观尺度的晶格玻尔兹曼方法,以其独特的优势：物理背景清晰、编程容易、计算简单、较强的并行性和可扩展性,成为研究非连续性微尺度流动的高效途径。本文采用晶格玻尔兹曼方法研究微尺度流体驱动和传热的基本问题。这需要较强的复杂边界和非等温流动的处理能力,但目前晶格玻尔兹曼方法在这两方面还有一些不足：一方面,以力源为基础的浸入边界-晶格玻尔兹曼方法难以处理浸入的复杂速度边界；另一方面,目前存在的基于低阶Hermite展开式的热晶格玻尔兹曼方法,对于粘性热耗散和压缩功的考虑都基于Boussinesq近似,即能量场和动量场是非耦合的。本文正是基于以上两个问题展开对微尺度流体驱动与传热的研究,分别提出了基于速度源修正的浸入边界-晶格玻尔兹曼方法和耦合的总能形式的双分布函数热晶格玻尔兹曼方法,在理论上完善了晶格玻尔兹曼方法在微尺度流动和传热领域的理论体系,并对仿生行波微流体驱动模型和微尺度对流模型进行了详细的研究,探索了微尺度流动前沿新特点。本文研究得出的结论对于微尺度流动问题的研究具有重要的理论指导意义,对未来微流体系统的发展具有促进作用。论文主要工作如下：1.以力源为基础的传统的浸入边界-晶格玻尔兹曼方法研究浸入的复杂速度边界时,需要把速度边界产生的形变转化为力源添加到晶格玻尔兹曼方程中,转化过程复杂,难以得到精确的力源。由于速度边界的形变信息完全包含在速度信息内,我们将浸入边界以速度源的形式引入晶格玻尔兹曼方程中,构建了基于速度源修正的浸入边界-晶格玻尔兹曼方法。将此方法用于研究我们所提出的仿生行波微流体驱动模型。该模型是根据精子的运动模式构建的,将一端固定的行波波动的弹性体放置在微管道内,波动的弹性体如同头部固定尾巴自由波动的精子,利用流体的粘性,弹性体带动周围的流体运动形成流场。为了验证本文所提出的基于速度源修正的浸入边界-晶格玻尔兹曼方法的可行性和准确性,与传统的浸入边界-晶格玻尔兹曼方法、有限差分法结果对比,研究证明本文所提方法是准确可行的,并大大提高了计算效率。同时也分析了仿生行波微流体驱动模型中压力和速度的分布情况,以及模型的弹性体波动频率、振幅、波长、长度、位置和流体运动粘度等不同参数对出口处流量的影响。2.由于目前存在的考虑粘性热耗散和压缩功的热晶格玻尔兹曼方法中能量场和动量场是非耦合的,本文将能量场内温度变化以动量源的形式引入到动量演化方程中,构建了耦合的总能形式的双分布函数热晶格玻尔兹曼方法,此方法能够考虑粘性热耗散和压缩功对微流体的影响。并利用微尺度自然热对流模型验证了此方法可行性和准确性,分析了不同瑞利数和普朗特数情况下粘性热耗散和压缩功对自然对流的影响。3采用耦合的总能形式的双分布函数热晶格玻尔兹曼方法研究了粘性热耗散和压缩功对微尺度Rayleigh-Benard对流的影响。研究发现粘性热耗散和压缩功能够促进对流传热,随着瑞利数的增加,这种促进作用增强,封闭腔内形成明显的薄边界层；随着尺度的减小,促进作用也增强,考虑粘性热耗散和压缩功的模型相对于不考虑的模型形成的漩涡个数较多,形状也发生了变化。研究表面粘性热耗散和压缩功对微尺度Rayleigh-Benard对流有影响,尺度越小影响越大,因此研究过程中这两个因素不能忽略。
【关键词】：微尺度流动 晶格玻尔兹曼方法 微流体驱动 微流体传热
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O35
【目录】：

• 摘要11-13
• ABSTRACT13-16
• 第一章 绪论16-37
• 1.1 研究背景16-25
• 1.1.1 微尺度流动的应用16-18
• 1.1.2 微尺度流动的特点18-20
• 1.1.3 微尺度流体驱动方式的研究现状20-24
• 1.1.4 微尺度传热的研究现状24-25
• 1.2 微尺度流动研究方法25-31
• 1.2.1 实验研究方法25-28
• 1.2.2 数值计算方法28-31
• 1.3 晶格玻尔兹曼方法研究进展31-34
• 1.3.1 起源31-32
• 1.3.2 发展32-34
• 1.4 研究内容34-37
• 第二章 晶格玻尔兹曼方法基本理论37-61
• 2.1 引言37
• 2.2 连续Boltzmann方程37-39
• 2.3 晶格玻尔兹曼方法基本模型39-42
• 2.4 晶格玻尔兹曼方法与宏观流体力学的关系42-44
• 2.5 边界处理44-54
• 2.5.1 启发式格式45-47
• 2.5.2 动力学格式47-48
• 2.5.3 外推格式48-50
• 2.5.4 复杂边界处理格式50-54
• 2.6 热晶格玻尔兹曼模型54-60
• 2.6.1 多速度模型55
• 2.6.2 混合模型55-56
• 2.6.3 双分布函数模型56-60
• 2.7 小结60-61
• 第三章 基于速度源修正的浸入边界-晶格玻尔兹曼方法及应用61-78
• 3.1 引言61-62
• 3.2 基于速度源修正的浸入边界-晶格玻尔兹曼方法62-66
• 3.2.1 浸入边界方法62-63
• 3.2.2 浸入边界-晶格玻尔兹曼方法63-65
• 3.2.3 基于速度源修正的浸入边界-晶格玻尔兹曼方法65-66
• 3.3 仿生行波微流体驱动模型66-67
• 3.4 仿生行波微流体驱动模型流场分析67-71
• 3.4.1 压力场和流线分析68-70
• 3.4.2 出口处流量的变化情况70-71
• 3.5 结果对比71-72
• 3.6 仿生行波微流体模型仿真分析72-77
• 3.6.1 振幅和垂直位置变化产生的影响72
• 3.6.2 波长和弹性体长度变化产生的影响72-74
• 3.6.3 频率和粘度变化产生的影响74
• 3.6.4 两端固定的弹性体对流场的影响74-77
• 3.7 小结77-78
• 第四章 耦合的总能形式的双分布函数热晶格玻尔兹曼方法78-100
• 4.1 引言78-79
• 4.2 耦合的总能形式的双分布函数热晶格玻尔兹曼方法79-89
• 4.2.1 基本理论79-83
• 4.2.2 对应的宏观流体力学方程83-88
• 4.2.3 壁面边界条件88-89
• 4.3 耦合的总能形式的双分布函数热晶格玻尔兹曼方法的理论验证89-99
• 4.3.1 自然热对流数值模型89
• 4.3.2 结果和讨论89-99
• 4.4 结论99-100
• 第五章 粘性热耗散和压缩功对微尺度Rayleigh-Benard对流的影响100-109
• 5.1 引言100
• 5.2 微尺度Rayleigh-Benard对流模型100-101
• 5.3 瑞利数Ra变化产生的影响101-105
• 5.4 纵横比A变化产生的影响105-108
• 5.5 小结108-109
• 第六章 总结和展望109-112
• 6.1 研究总结109-110
• 6.2 工作展望110-112
• 参考文献112-127
• 攻读学位期间发表的学术论文、获奖情况及参与的科研项目127-129
• 发表的学术论文127-128
• 获奖情况128
• 参与的科研项目128-129
• 致谢129-131
• 附录131-148
• 附件148

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前7条

1 孙立宁,周兆英,龚振邦;MEMS国内外发展状况及我国MEMS发展战略的思考[J];机器人技术与应用;2002年02期

2 莫嘉琪;程燕;;广义Boussinesq方程的同伦映射近似解[J];物理学报;2009年07期

3 王立鼎,罗怡;中国MEMS的研究与开发进程[J];仪表技术与传感器;2003年01期

4 魏长智;魏守水;刘飞飞;;H型压电超声流微泵的流动特性分析[J];振动.测试与诊断;2013年04期

5 Vahid Esfahanian;Esmaeil Dehdashti;Amir Mehdi Dehrouye-Semnani;;Simulation of fluid-structure interaction in a microchannel using the lattice Boltzmann method and size-dependent beam element on a graphics processing unit[J];Chinese Physics B;2014年08期

6 刘飞飞;魏守水;魏长智;任晓飞;;基于速度源修正的浸入边界-晶格玻尔兹曼法研究仿生微流体驱动模型[J];物理学报;2014年19期

7 Rajib Basu;G. C. Layek;;Cross-diffusive effects on the onset of double-diffusive convection in a horizontal saturated porous fluid layer heated and salted from above[J];Chinese Physics B;2013年05期

  本文关键词：基于晶格玻尔兹曼方法的微尺度流动理论研究，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：399190