本文關(guān)鍵詞：基于晶格玻爾茲曼方法的微尺度流動理論研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：微尺度流動作為一門新興科學(xué)廣泛地應(yīng)用于微機電系統(tǒng)、微納系統(tǒng)、生物芯片以及航天航空等眾多領(lǐng)域。小劑量、高精確度、高靈活度驅(qū)動和控制流體是微流體操作設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)。尺度的減小使得原本在宏觀領(lǐng)域被忽略的因素,在微尺度流動中占據(jù)重要地位,因此傳統(tǒng)的宏觀流體驅(qū)動方式和傳熱特點不適合微尺度流動系統(tǒng),探索新的驅(qū)動方式以及微尺度流動特殊性質(zhì)對傳熱產(chǎn)生的影響是目前研究的重點。另外一方面,由于微尺度流動的不連續(xù)性,基于連續(xù)介質(zhì)假設(shè)的經(jīng)典流體動力學(xué)方法不再適用,同時基于離散粒子的分子動力學(xué)因其巨大的計算量難以得到廣泛的應(yīng)用。以微觀粒子動力學(xué)為背景的介觀尺度的晶格玻爾茲曼方法,以其獨特的優(yōu)勢：物理背景清晰、編程容易、計算簡單、較強的并行性和可擴展性,成為研究非連續(xù)性微尺度流動的高效途徑。本文采用晶格玻爾茲曼方法研究微尺度流體驅(qū)動和傳熱的基本問題。這需要較強的復(fù)雜邊界和非等溫流動的處理能力,但目前晶格玻爾茲曼方法在這兩方面還有一些不足：一方面,以力源為基礎(chǔ)的浸入邊界-晶格玻爾茲曼方法難以處理浸入的復(fù)雜速度邊界；另一方面,目前存在的基于低階Hermite展開式的熱晶格玻爾茲曼方法,對于粘性熱耗散和壓縮功的考慮都基于Boussinesq近似,即能量場和動量場是非耦合的。本文正是基于以上兩個問題展開對微尺度流體驅(qū)動與傳熱的研究,分別提出了基于速度源修正的浸入邊界-晶格玻爾茲曼方法和耦合的總能形式的雙分布函數(shù)熱晶格玻爾茲曼方法,在理論上完善了晶格玻爾茲曼方法在微尺度流動和傳熱領(lǐng)域的理論體系,并對仿生行波微流體驅(qū)動模型和微尺度對流模型進(jìn)行了詳細(xì)的研究,探索了微尺度流動前沿新特點。本文研究得出的結(jié)論對于微尺度流動問題的研究具有重要的理論指導(dǎo)意義,對未來微流體系統(tǒng)的發(fā)展具有促進(jìn)作用。論文主要工作如下：1.以力源為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)的浸入邊界-晶格玻爾茲曼方法研究浸入的復(fù)雜速度邊界時,需要把速度邊界產(chǎn)生的形變轉(zhuǎn)化為力源添加到晶格玻爾茲曼方程中,轉(zhuǎn)化過程復(fù)雜,難以得到精確的力源。由于速度邊界的形變信息完全包含在速度信息內(nèi),我們將浸入邊界以速度源的形式引入晶格玻爾茲曼方程中,構(gòu)建了基于速度源修正的浸入邊界-晶格玻爾茲曼方法。將此方法用于研究我們所提出的仿生行波微流體驅(qū)動模型。該模型是根據(jù)精子的運動模式構(gòu)建的,將一端固定的行波波動的彈性體放置在微管道內(nèi),波動的彈性體如同頭部固定尾巴自由波動的精子,利用流體的粘性,彈性體帶動周圍的流體運動形成流場。為了驗證本文所提出的基于速度源修正的浸入邊界-晶格玻爾茲曼方法的可行性和準(zhǔn)確性,與傳統(tǒng)的浸入邊界-晶格玻爾茲曼方法、有限差分法結(jié)果對比,研究證明本文所提方法是準(zhǔn)確可行的,并大大提高了計算效率。同時也分析了仿生行波微流體驅(qū)動模型中壓力和速度的分布情況,以及模型的彈性體波動頻率、振幅、波長、長度、位置和流體運動粘度等不同參數(shù)對出口處流量的影響。2.由于目前存在的考慮粘性熱耗散和壓縮功的熱晶格玻爾茲曼方法中能量場和動量場是非耦合的,本文將能量場內(nèi)溫度變化以動量源的形式引入到動量演化方程中,構(gòu)建了耦合的總能形式的雙分布函數(shù)熱晶格玻爾茲曼方法,此方法能夠考慮粘性熱耗散和壓縮功對微流體的影響。并利用微尺度自然熱對流模型驗證了此方法可行性和準(zhǔn)確性,分析了不同瑞利數(shù)和普朗特數(shù)情況下粘性熱耗散和壓縮功對自然對流的影響。3采用耦合的總能形式的雙分布函數(shù)熱晶格玻爾茲曼方法研究了粘性熱耗散和壓縮功對微尺度Rayleigh-Benard對流的影響。研究發(fā)現(xiàn)粘性熱耗散和壓縮功能夠促進(jìn)對流傳熱,隨著瑞利數(shù)的增加,這種促進(jìn)作用增強,封閉腔內(nèi)形成明顯的薄邊界層；隨著尺度的減小,促進(jìn)作用也增強,考慮粘性熱耗散和壓縮功的模型相對于不考慮的模型形成的漩渦個數(shù)較多,形狀也發(fā)生了變化。研究表面粘性熱耗散和壓縮功對微尺度Rayleigh-Benard對流有影響,尺度越小影響越大,因此研究過程中這兩個因素不能忽略。
【關(guān)鍵詞】：微尺度流動 晶格玻爾茲曼方法 微流體驅(qū)動 微流體傳熱
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：O35
【目錄】：

• 摘要11-13
• ABSTRACT13-16
• 第一章 緒論16-37
• 1.1 研究背景16-25
• 1.1.1 微尺度流動的應(yīng)用16-18
• 1.1.2 微尺度流動的特點18-20
• 1.1.3 微尺度流體驅(qū)動方式的研究現(xiàn)狀20-24
• 1.1.4 微尺度傳熱的研究現(xiàn)狀24-25
• 1.2 微尺度流動研究方法25-31
• 1.2.1 實驗研究方法25-28
• 1.2.2 數(shù)值計算方法28-31
• 1.3 晶格玻爾茲曼方法研究進(jìn)展31-34
• 1.3.1 起源31-32
• 1.3.2 發(fā)展32-34
• 1.4 研究內(nèi)容34-37
• 第二章 晶格玻爾茲曼方法基本理論37-61
• 2.1 引言37
• 2.2 連續(xù)Boltzmann方程37-39
• 2.3 晶格玻爾茲曼方法基本模型39-42
• 2.4 晶格玻爾茲曼方法與宏觀流體力學(xué)的關(guān)系42-44
• 2.5 邊界處理44-54
• 2.5.1 啟發(fā)式格式45-47
• 2.5.2 動力學(xué)格式47-48
• 2.5.3 外推格式48-50
• 2.5.4 復(fù)雜邊界處理格式50-54
• 2.6 熱晶格玻爾茲曼模型54-60
• 2.6.1 多速度模型55
• 2.6.2 混合模型55-56
• 2.6.3 雙分布函數(shù)模型56-60
• 2.7 小結(jié)60-61
• 第三章 基于速度源修正的浸入邊界-晶格玻爾茲曼方法及應(yīng)用61-78
• 3.1 引言61-62
• 3.2 基于速度源修正的浸入邊界-晶格玻爾茲曼方法62-66
• 3.2.1 浸入邊界方法62-63
• 3.2.2 浸入邊界-晶格玻爾茲曼方法63-65
• 3.2.3 基于速度源修正的浸入邊界-晶格玻爾茲曼方法65-66
• 3.3 仿生行波微流體驅(qū)動模型66-67
• 3.4 仿生行波微流體驅(qū)動模型流場分析67-71
• 3.4.1 壓力場和流線分析68-70
• 3.4.2 出口處流量的變化情況70-71
• 3.5 結(jié)果對比71-72
• 3.6 仿生行波微流體模型仿真分析72-77
• 3.6.1 振幅和垂直位置變化產(chǎn)生的影響72
• 3.6.2 波長和彈性體長度變化產(chǎn)生的影響72-74
• 3.6.3 頻率和粘度變化產(chǎn)生的影響74
• 3.6.4 兩端固定的彈性體對流場的影響74-77
• 3.7 小結(jié)77-78
• 第四章 耦合的總能形式的雙分布函數(shù)熱晶格玻爾茲曼方法78-100
• 4.1 引言78-79
• 4.2 耦合的總能形式的雙分布函數(shù)熱晶格玻爾茲曼方法79-89
• 4.2.1 基本理論79-83
• 4.2.2 對應(yīng)的宏觀流體力學(xué)方程83-88
• 4.2.3 壁面邊界條件88-89
• 4.3 耦合的總能形式的雙分布函數(shù)熱晶格玻爾茲曼方法的理論驗證89-99
• 4.3.1 自然熱對流數(shù)值模型89
• 4.3.2 結(jié)果和討論89-99
• 4.4 結(jié)論99-100
• 第五章 粘性熱耗散和壓縮功對微尺度Rayleigh-Benard對流的影響100-109
• 5.1 引言100
• 5.2 微尺度Rayleigh-Benard對流模型100-101
• 5.3 瑞利數(shù)Ra變化產(chǎn)生的影響101-105
• 5.4 縱橫比A變化產(chǎn)生的影響105-108
• 5.5 小結(jié)108-109
• 第六章 總結(jié)和展望109-112
• 6.1 研究總結(jié)109-110
• 6.2 工作展望110-112
• 參考文獻(xiàn)112-127
• 攻讀學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文、獲獎情況及參與的科研項目127-129
• 發(fā)表的學(xué)術(shù)論文127-128
• 獲獎情況128
• 參與的科研項目128-129
• 致謝129-131
• 附錄131-148
• 附件148

【參考文獻(xiàn)】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前7條

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  本文關(guān)鍵詞：基于晶格玻爾茲曼方法的微尺度流動理論研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號：399190