【摘要】：外物理場控制下的二元相分離是科學(xué)實驗和工業(yè)生產(chǎn)中調(diào)控分離相形態(tài)的一種重要物理過程和普遍方法,其外場控制的主要手段包括溫度場控制、剪切場控制、聲場控制和電磁場控制等。相分離也是一種分離相變,其演化過程往往對外部控制環(huán)境的微小變化,表現(xiàn)出復(fù)雜、敏感、瞬時和多尺度演化的響應(yīng)特征,例如氣液臨界相變對溫度和壓強變化的大尺度敏感響應(yīng)就是一種典型的二級相變過程。而這種分離相變的多尺度變化特征往往導(dǎo)致其非平衡演化過程在實驗上難以連續(xù)精確觀察,在理論解析的關(guān)鍵描述方面也不夠細致全面。因此,準確描述相分離演化過程和深入探究相分離動力學(xué)規(guī)律,并在多尺度層面上應(yīng)用數(shù)值模擬的方法揭示和刻畫相分離的規(guī)律、過程與特征,已成為當前模擬計算領(lǐng)域中最為活躍的應(yīng)用研究前沿之一。目前,在利用外物理場調(diào)控多元相分離的數(shù)值模擬領(lǐng)域,主要是采用基于網(wǎng)格的數(shù)值計算方法,例如有限差分法、有限體積法和有限元法等,這些方法都需要借助額外的界面追蹤技術(shù)和復(fù)雜的耦合物理場實施策略來模擬相分離過程。由于物理場控制下的相分離過程伴隨著多組分擴散流、多形態(tài)能量流和動量流等耦合的物理過程,特別是多尺度和復(fù)雜形態(tài)相變界面的產(chǎn)生及運動,使傳統(tǒng)的宏觀尺度網(wǎng)格方法難以捕獲和跟蹤大量多尺度、分散和隨機的分離相界面。因此,本文引入基于介觀背景的格子Boltzmann方法(Lattice Boltzmann Method,LBM),將其介觀控制函數(shù)與宏觀物理外場耦合,建立多種耦合外場作用下的介觀相分離模型,來描述外場控制下兩相分離的現(xiàn)象與過程,使得模擬過程與結(jié)果更加真實和準確細致,所揭示的規(guī)律也更接近于物理本質(zhì),同時也使如何選擇物理場控制參數(shù)及其優(yōu)化分離過程都有據(jù)可依和有跡可循�；谏鲜鲅芯勘尘芭c需求,本文的主要研究工作有:(1)通過引入隨溫度敏感變化的粘度函數(shù),建立了耦合動態(tài)粘度和溫度場的相分離LBM模型,闡明了熱擴散和慣性對流的耦合對相分離的作用過程及規(guī)律,系統(tǒng)地刻畫了二元非等溫的相分離過程。模擬表明,通過調(diào)控初始粘度、粘度關(guān)于溫度的敏感度和熱擴散能夠成功地控制分離相的形體和界面演化方向。(2)將剪切邊界條件引入到熱控制的相分離模型中,研究了剪切對流和熱擴散的耦合對分離相的形態(tài)演化和層數(shù)形成的作用規(guī)律,并建立起剪切速率、剪切頻率和Prandtl數(shù)(Pr,表示粘滯力與熱擴散的競爭)與形成分離相層數(shù)的相圖,揭示了剪切速率或剪切頻率與Pr數(shù)的耦合效應(yīng)在改變平衡態(tài)下分離相的層數(shù)和取向性過程中的關(guān)鍵作用。(3)提出了一種超聲場作用下油水乳液分離的LBM模型,基于該模型研究了超聲場的強度和頻率影響油水乳液分離形態(tài)演化的規(guī)律,并通過系統(tǒng)模擬揭示了如何調(diào)控關(guān)鍵參數(shù)來提高油水分離的效率和程度,成功地模擬出實驗的相關(guān)現(xiàn)象,實現(xiàn)提高油水分離的效率和程度。(4)建立了磁場控制下磁性合金溶液分離的LBM模型,揭示了磁場中Hartmann數(shù)(Ha,磁場力與粘滯力的比)的變化是如何影響其分離相的形態(tài)特征以及對提高分離效率的作用規(guī)律。研究得到了符合實驗現(xiàn)象的模擬結(jié)果,同時更進一步分析了超高磁場控制條件下分離相的形狀特征,以期實現(xiàn)分離效率的提高和程度的改善。
【圖文】：

第一章 緒 論條件下模擬枝晶體的生長。1999 年，Nestler等人[71]建立了用于組織的相場模型，研究了流動對枝晶生長的影響。2000 年，T流場進行耦合，模擬分析了強迫對流環(huán)境下流速和流向?qū)χ?年Hecht等人[73]提出了耦合熱力學(xué)參數(shù)的相場模型，并被Qin[7元合金多場凝固過程的相場模型中，得到了與實際相符合的，通過相場與溫度場、溶質(zhì)場及其它外部場的耦合，將分離相各向異性方便地考慮進去，在介觀層面有效地刻畫了相分離的追蹤界面位置，此模型能方便地處理不同相界面上溶質(zhì)聚集和，還能較大程度避免點陣的各向異性。

第三章 非等溫變粘度相分離模擬方程為( ) ( )ee mix eTT u D Tt (3-3)描述了非均勻溫度場(3-4)控制下的動力學(xué)特征，在變-40)-(1-44)可以得到相分離的化學(xué)勢和壓力張量。結(jié)果和討論模型數(shù)值穩(wěn)定性分析在耦合的格子Boltzmann方法中，通過計算方程(1-40)得到存曲線，其中曲線的左下方區(qū)域代表相分離，右上方區(qū)域 圖 3-2 所示。由 圖 3-2 可以知道，特定溫度條件下得到合的較好，，表明本章第二節(jié)中耦合了變化溫度場和法模擬相分離具有一定可靠性。
【學(xué)位授予單位】：西北工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：O242;O552.6

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本文編號：2702988