【摘要】：液滴和氣泡是自然界和工業(yè)過(guò)程中廣泛存在的一類(lèi)典型物質(zhì)形態(tài),亦是具有兩種物質(zhì)共存和明確分界面的混合物流動(dòng)問(wèn)題。在微尺度下,由于液滴具有很大的比表面積,其體力或環(huán)境不均勻壓力遠(yuǎn)小于表面張力,因而液滴形態(tài)穩(wěn)定,可以作為獨(dú)立的微載體。近年來(lái),液滴已逐步成為微流控芯片上實(shí)現(xiàn)快速熱質(zhì)輸運(yùn)的特殊微反應(yīng)器,也使試劑的過(guò)度消耗以及液滴之間的交叉污染得以避免。在可用于微液滴操控的諸多激勵(lì)中,溫度梯度驅(qū)動(dòng)誘發(fā)的熱毛細(xì)力驅(qū)動(dòng)可針對(duì)于包括非導(dǎo)電液滴在內(nèi)的任何流體,因而逐步受到人們的重視。但是,在溫度梯度驅(qū)動(dòng)微液滴遷移的實(shí)際操作中,液滴蒸發(fā)、運(yùn)動(dòng)滯后和固著加熱器等現(xiàn)象往往制約著液滴的精準(zhǔn)操控。為實(shí)現(xiàn)對(duì)液滴的精準(zhǔn)操控,需要進(jìn)一步對(duì)微液滴熱運(yùn)動(dòng)的物理過(guò)程進(jìn)行探究。格子Boltzmann方法是從介觀(guān)粒子動(dòng)力學(xué)發(fā)展而來(lái)的描述流體流動(dòng)和流體物理的數(shù)值方法之一。格子Boltzmann方法既具有微觀(guān)粒子動(dòng)力學(xué)的優(yōu)勢(shì),又具有動(dòng)理學(xué)的本質(zhì),目前已被廣泛應(yīng)用于多相流及其傳熱傳質(zhì)等多種復(fù)雜現(xiàn)象和過(guò)程的研究中。因此,采用格子Boltzmann方法來(lái)探究微液滴熱運(yùn)動(dòng)的物理過(guò)程具有一定的優(yōu)勢(shì)。本論文主要結(jié)合格子Boltzmann方法來(lái)研究界面微液滴系統(tǒng)的熱流體動(dòng)力學(xué),研究工作包括:建立三相流體熱流體動(dòng)力學(xué)模型、發(fā)展混合LB-FD(格子Boltzmann有限差分)求解策略和模擬研究界面液滴熱流體動(dòng)力學(xué)(界面液滴熱毛細(xì)遷移和過(guò)熱液池表面液滴Leidenfrost效應(yīng))。主要的研究?jī)?nèi)容及相關(guān)結(jié)論如下:(1)基于兩組分和三組分的Cahn-Hilliard方程,建立了多相流體界面動(dòng)力學(xué)模型,得到了能夠描述三相流體熱對(duì)流過(guò)程中相界面動(dòng)態(tài)變形的數(shù)學(xué)模型。此外,基于連續(xù)表面力概念,給出了兩相流和三相流表面張力的表達(dá)式,保證了多相流數(shù)值計(jì)算的穩(wěn)定性。(2)根據(jù)混合LB-FD格式求解多相流問(wèn)題的思路,引入格子Boltzmann方法以實(shí)現(xiàn)對(duì)水動(dòng)力學(xué)方程的求解,并采用具有二階精度的有限差分方法對(duì)其它標(biāo)量輸運(yùn)方程(Cahn-Hilliard方程和溫度方程)進(jìn)行求解。整個(gè)求解流程為顯式時(shí)間推進(jìn),程序易并行且適用于較大規(guī)模計(jì)算。(3)為實(shí)現(xiàn)具有較大密度比的軸對(duì)稱(chēng)多相流計(jì)算,引入與半徑相關(guān)的分布函數(shù)并建立了軸對(duì)稱(chēng)格子Boltzmann-BGK模型(LBGK模型)和相應(yīng)的多松弛模型(MRT-LB模型)。隨后,計(jì)算了靜置液滴Laplace定律、液滴振蕩和液滴潤(rùn)濕性問(wèn)題。結(jié)果表明當(dāng)前軸對(duì)稱(chēng)模型在靜態(tài)液滴模擬中密度可達(dá)到1000,而在動(dòng)態(tài)模擬中密度比可達(dá)到500。此外,數(shù)值結(jié)果也證實(shí)了軸對(duì)稱(chēng)MRT-LB模型相比LBGK模型具有更好的數(shù)值穩(wěn)定性。(4)為描述界面液滴熱毛細(xì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程,基于三組分Phase Field方法發(fā)展了三相熱流體動(dòng)力學(xué)模型并采用混合LB-FD格式對(duì)該模型進(jìn)行求解。完成對(duì)模型和程序的驗(yàn)證后,模擬了界面液滴熱毛細(xì)遷移行為,明確了環(huán)境流體表面張力系數(shù)、液滴變形和環(huán)境流體界面變形對(duì)液滴遷移行為的影響。這些研究結(jié)果可為界面液滴熱毛細(xì)動(dòng)力學(xué)提供補(bǔ)充。(5)為研究過(guò)熱液池表面液滴Leidenfrost效應(yīng),提出了含有蒸發(fā)相變過(guò)程的三相流體熱水動(dòng)力學(xué)模型,并采用混合LB-FD格式對(duì)軸對(duì)稱(chēng)條件下的該模型進(jìn)行了求解。驗(yàn)證模型和程序后,數(shù)值模擬了對(duì)液池表面液滴Leidenfrost效應(yīng),得到了液池表面Leidenfrost液滴系統(tǒng)中液滴體積隨時(shí)間的變化、液滴和液池表面的形狀、蒸汽膜的厚度、流場(chǎng)和溫度場(chǎng)等結(jié)果。此外,也系統(tǒng)地分析了液池表面液滴Leidenfrost效應(yīng)及其穩(wěn)定狀態(tài)受特征參數(shù)的影響,為優(yōu)化液滴輸運(yùn)及控制提供了理論參考。
【圖文】：

1( )qf k C Cq 度量，是一個(gè)無(wú)量綱量。在上式中，第一項(xiàng)表征梯度自由能密度，，第二項(xiàng)中 (C )體現(xiàn)組分的不互溶性。在 2， (C )取為雙勢(shì)阱形式2 2A B(C C ) (C C)，其分布是 (C )的極值點(diǎn)。這里， 和 k 與界面厚度 D 和表面1 8A BkDC C 326A BC C k ，流體密度 的分布由相分布決定，其定義為( )BB A BA BC CC C 分別為相 A和相B的密度。

圖 2.2 平衡態(tài)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]基于自由能理論，假設(shè)相的界面擴(kuò)散通量與化相C 隨時(shí)間變化的方程為2CMt 散參數(shù)，也被稱(chēng)為遷移率。方程(2.7)即為Cahn-Hilliard]、Jasnow 和 Vinals[98]等討論了 Cahn-Hilliard 方程在擴(kuò)，發(fā)展了考慮流體對(duì)流影響相C 輸運(yùn)的對(duì)流擴(kuò)散方程( )CC Mt u 數(shù)值計(jì)算，遷移率M 通常取為相C 的函數(shù)。在不可壓用方程(2.8)作為相C 的控制方程，由于其源于 Cahn-被稱(chēng)為對(duì)流 Cahn-Hilliard 方程，也被簡(jiǎn)稱(chēng)為 Cahn-H續(xù)章節(jié)中所提及的 Cahn-Hilliard 方程均指方程(2.8)。
【學(xué)位授予單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：O35

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本文編號(hào)：2625814