【摘要】：液滴和氣泡是自然界和工業(yè)過程中廣泛存在的一類典型物質(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問題。在微尺度下,由于液滴具有很大的比表面積,其體力或環(huán)境不均勻壓力遠小于表面張力,因而液滴形態(tài)穩(wěn)定,可以作為獨立的微載體。近年來,液滴已逐步成為微流控芯片上實現(xiàn)快速熱質(zhì)輸運的特殊微反應器,也使試劑的過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中,溫度梯度驅動誘發(fā)的熱毛細力驅動可針對于包括非導電液滴在內(nèi)的任何流體,因而逐步受到人們的重視。但是,在溫度梯度驅動微液滴遷移的實際操作中,液滴蒸發(fā)、運動滯后和固著加熱器等現(xiàn)象往往制約著液滴的精準操控。為實現(xiàn)對液滴的精準操控,需要進一步對微液滴熱運動的物理過程進行探究。格子Boltzmann方法是從介觀粒子動力學發(fā)展而來的描述流體流動和流體物理的數(shù)值方法之一。格子Boltzmann方法既具有微觀粒子動力學的優(yōu)勢,又具有動理學的本質(zhì),目前已被廣泛應用于多相流及其傳熱傳質(zhì)等多種復雜現(xiàn)象和過程的研究中。因此,采用格子Boltzmann方法來探究微液滴熱運動的物理過程具有一定的優(yōu)勢。本論文主要結合格子Boltzmann方法來研究界面微液滴系統(tǒng)的熱流體動力學,研究工作包括:建立三相流體熱流體動力學模型、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力學(界面液滴熱毛細遷移和過熱液池表面液滴Leidenfrost效應)。主要的研究內(nèi)容及相關結論如下:(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力學模型,得到了能夠描述三相流體熱對流過程中相界面動態(tài)變形的數(shù)學模型。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式,保證了多相流數(shù)值計算的穩(wěn)定性。(2)根據(jù)混合LB-FD格式求解多相流問題的思路,引入格子Boltzmann方法以實現(xiàn)對水動力學方程的求解,并采用具有二階精度的有限差分方法對其它標量輸運方程(Cahn-Hilliard方程和溫度方程)進行求解。整個求解流程為顯式時間推進,程序易并行且適用于較大規(guī)模計算。(3)為實現(xiàn)具有較大密度比的軸對稱多相流計算,引入與半徑相關的分布函數(shù)并建立了軸對稱格子Boltzmann-BGK模型(LBGK模型)和相應的多松弛模型(MRT-LB模型)。隨后,計算了靜置液滴Laplace定律、液滴振蕩和液滴潤濕性問題。結果表明當前軸對稱模型在靜態(tài)液滴模擬中密度可達到1000,而在動態(tài)模擬中密度比可達到500。此外,數(shù)值結果也證實了軸對稱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運動過程,基于三組分Phase Field方法發(fā)展了三相熱流體動力學模型并采用混合LB-FD格式對該模型進行求解。完成對模型和程序的驗證后,模擬了界面液滴熱毛細遷移行為,明確了環(huán)境流體表面張力系數(shù)、液滴變形和環(huán)境流體界面變形對液滴遷移行為的影響。這些研究結果可為界面液滴熱毛細動力學提供補充。(5)為研究過熱液池表面液滴Leidenfrost效應,提出了含有蒸發(fā)相變過程的三相流體熱水動力學模型,并采用混合LB-FD格式對軸對稱條件下的該模型進行了求解。驗證模型和程序后,數(shù)值模擬了對液池表面液滴Leidenfrost效應,得到了液池表面Leidenfrost液滴系統(tǒng)中液滴體積隨時間的變化、液滴和液池表面的形狀、蒸汽膜的厚度、流場和溫度場等結果。此外,也系統(tǒng)地分析了液池表面液滴Leidenfrost效應及其穩(wěn)定狀態(tài)受特征參數(shù)的影響,為優(yōu)化液滴輸運及控制提供了理論參考。
【圖文】：

1( )qf k C Cq 度量，是一個無量綱量。在上式中，第一項表征梯度自由能密度，，第二項中 (C )體現(xiàn)組分的不互溶性。在 2， (C )取為雙勢阱形式2 2A B(C C ) (C C)，其分布是 (C )的極值點。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，假設相的界面擴散通量與化相C 隨時間變化的方程為2CMt 散參數(shù)，也被稱為遷移率。方程(2.7)即為Cahn-Hilliard]、Jasnow 和 Vinals[98]等討論了 Cahn-Hilliard 方程在擴，發(fā)展了考慮流體對流影響相C 輸運的對流擴散方程( )CC Mt u 數(shù)值計算，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-被稱為對流 Cahn-Hilliard 方程，也被簡稱為 Cahn-H續(xù)章節(jié)中所提及的 Cahn-Hilliard 方程均指方程(2.8)。
【學位授予單位】：重慶大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：O35

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