本文關(guān)鍵詞：復(fù)雜微通道內(nèi)多相流體流動的格子Boltzmann方法研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：復(fù)雜微通道內(nèi)多相流體流動廣泛存在于能源、環(huán)境、化工、微流控芯片等諸多領(lǐng)域。由于涉及遷移、變形、破碎、合并等復(fù)雜界面動力學(xué),而且流動還受到通道結(jié)構(gòu)、毛細(xì)作用、流固間相互作用等眾多微觀因素的影響,因此,復(fù)雜微通道內(nèi)多相流體流動過程十分復(fù)雜,人們對其中流動規(guī)律及影響機(jī)理的認(rèn)識還不夠深入。傳統(tǒng)數(shù)值方法在研究這類問題存在著邊界處理復(fù)雜、不同流體及流固間的相互作用不易描述、并行效率低等缺點(diǎn),而基于氣體動理學(xué)理論的格子Boltzmann方法(Lattice Boltzmann method, LBM),由于其微觀本質(zhì)和介觀特點(diǎn),已被證實(shí)是研究多相流體流動的有效方法。 目前,LBM在復(fù)雜微通道內(nèi)多相流動的研究方面,仍有一些關(guān)鍵基礎(chǔ)問題尚未解決：一方面,多相LBM的基本模型還不完善；另一方面,復(fù)雜微通道內(nèi)多相流體的傳輸機(jī)理尚不清晰。因此,本文首先完善LBM在多相流方面的相關(guān)理論模型。在此基礎(chǔ)上,采用多相LBM模型對兩類典型復(fù)雜微通道內(nèi)多相流動問題開展詳細(xì)研究。另外,我們還對經(jīng)典的瑞利-泰勒不穩(wěn)定性問題進(jìn)行了研究。論文的主要工作包括以下幾個(gè)方面： (1)基于相場理論建立了能夠準(zhǔn)確捕獲界面動態(tài)變化的二維及三維多相LBM模型。該模型克服了前人模型中界面求解精度低、穩(wěn)定性差的問題,提高了LBM在界面捕獲方面的能力,并且宏觀壓力和速度的計(jì)算更為簡便。此外,該模型還能應(yīng)用于低粘性或高雷諾數(shù)的多相流動問題。這一工作將為LBM用于研究復(fù)雜微管道內(nèi)多相流動問題奠定理論基礎(chǔ)。 (2)通過修正平衡態(tài)分布函數(shù)和引入適當(dāng)?shù)脑错?xiàng),我們發(fā)展了一個(gè)準(zhǔn)確、簡單、高效的軸對稱多相LBM模型。新模型避免了已有軸對稱多相LBM模型包含復(fù)雜速度梯度項(xiàng)和界面捕獲精度低的問題,完善了LBM在軸對稱流領(lǐng)域的理論。通過模擬經(jīng)典Rayleigh-Plateau不穩(wěn)定性和液滴下落等問題,獲得了與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和解析解相一致的結(jié)果,驗(yàn)證了新模型的有效性與正確性, (3)系統(tǒng)研究了帶腔微通道內(nèi)多相流體的非混相驅(qū)替過程,著重討論了壁面潤濕性、毛細(xì)數(shù)、密度比及方腔尺寸對腔體內(nèi)液體的界面動力學(xué)行為和驅(qū)替效率的影響。主要研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)潤濕性顯著影響腔體內(nèi)液體的動態(tài)行為：對疏水壁面,液體可以完全地從腔體內(nèi)驅(qū)出；而對親水壁面,液體內(nèi)部則發(fā)生斷裂,導(dǎo)致部分液體留在腔體內(nèi)。此外,我們還討論了臨界毛細(xì)數(shù)與壁面潤濕性、密度比和方腔尺寸之間的關(guān)系。 (4)基于本文發(fā)展模型,我們研究了液滴在分叉微通道中的遷移、變形、破裂等動態(tài)行為,重點(diǎn)分析了壁面潤濕性、毛細(xì)數(shù)、出口流量比對液滴流動特性的影響機(jī)制。研究結(jié)果表明液滴在支通道的行為與潤濕性密切相關(guān)：對疏水壁面,子液滴會完全懸浮在支通道中：對親水壁面,子液滴則發(fā)生二次破裂,部分液滴粘附在固體表面上,另一部分流向支通道出口。同時(shí),我們還發(fā)現(xiàn)當(dāng)毛細(xì)數(shù)足夠大時(shí),液滴可以對稱分裂成兩個(gè)相同的子液滴：然而,當(dāng)毛細(xì)數(shù)過小時(shí),液滴則滯留在分叉口處,不發(fā)生破裂。此外,通過調(diào)節(jié)出口流量比可以使液滴發(fā)生非對稱破裂或者完全從流速較大的支通道流出。 (5)利用本文發(fā)展的模型研究了二維及三維微通道內(nèi)瑞利-泰勒不穩(wěn)定性問題,著重分析了雷諾數(shù)對不穩(wěn)定性各發(fā)展階段的擾動增長及流體界面變化的影響。研究結(jié)果表明：當(dāng)雷諾數(shù)較大時(shí),不穩(wěn)定性的發(fā)展經(jīng)歷了四個(gè)階段,即線性增長、最終速度、重加速及混沌混合階段,并且在前兩個(gè)階段獲得了與經(jīng)典理論解相一致的結(jié)果,而在后期的混沌階段,發(fā)現(xiàn)不穩(wěn)定性呈現(xiàn)二次增長的規(guī)律；當(dāng)雷諾數(shù)較小時(shí),流動表現(xiàn)為層流狀態(tài),不穩(wěn)定性的后期階段將不會出現(xiàn)。 總之,本文發(fā)展了LBM在界面捕獲和軸對稱多相流動方面的基本理論模型,并研究了帶腔微通道內(nèi)多相流體的非混相驅(qū)替過程、分叉微通道內(nèi)液滴的動力學(xué)行為及微通道內(nèi)瑞利-泰勒不穩(wěn)定性等問題。本文的研究結(jié)果不但加深了對復(fù)雜微通道內(nèi)多相流體的傳輸規(guī)律和內(nèi)在影響機(jī)理的認(rèn)識,而且也為推動LBM在包含多相流動的工程應(yīng)用中作出了有益的嘗試。
【關(guān)鍵詞】：格子Boltzmann方法 多相流 軸對稱流動 復(fù)雜微通道 界面捕獲 瑞利-泰勒不穩(wěn)定性
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：O359
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 1 緒論11-20
• 1.1 研究背景與意義11-12
• 1.2 復(fù)雜微通道內(nèi)多相流動的研究方法12-14
• 1.3 研究現(xiàn)狀14-18
• 1.4 本文主要工作18-20
• 2 基于相場理論的多相流格子Boltzmann模型20-53
• 2.1 引言20-21
• 2.2 基于相場理論的多相多松弛格子Boltzmann模型21-29
• 2.3 數(shù)值結(jié)果與討論29-44
• 2.4 多相流的多松弛格子Boltzmann模型的多尺度分析44-52
• 2.5 本章小結(jié)52-53
• 3 軸對稱多相流的格子Boltzmann模型53-75
• 3.1 引言53-54
• 3.2 宏觀控制方程54-55
• 3.3 基于相場理論的軸對稱多相流格子Boltzmann模型55-60
• 3.4 數(shù)值結(jié)果與討論60-69
• 3.5 多尺度分析與壓力的計(jì)算69-74
• 3.6 本章小結(jié)74-75
• 4 帶腔微通道中多相流體的非混相驅(qū)替過程研究75-90
• 4.1 研究背景75-76
• 4.2 數(shù)值模型及驗(yàn)證76-79
• 4.3 數(shù)值結(jié)果與討論79-89
• 4.4 本章小結(jié)89-90
• 5 分叉微通道內(nèi)液滴動力學(xué)行為的研究90-105
• 5.1 研究背景90-91
• 5.2 壁面潤濕性91-93
• 5.3 問題描述93-97
• 5.4 數(shù)值結(jié)果與討論97-103
• 5.5 本章小結(jié)103-105
• 6 瑞利-泰勒界面不穩(wěn)定性研究105-130
• 6.1 研究背景105-106
• 6.2 二維瑞利-泰勒不穩(wěn)定性106-112
• 6.3 三維瑞利-泰勒不穩(wěn)定性112-128
• 6.4 本章小結(jié)128-130
• 7 總結(jié)與展望130-134
• 7.1 全文總結(jié)130-132
• 7.2 研究展望132-134
• 致謝134-135
• 參考文獻(xiàn)135-148
• 附錄1 攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表論文目錄148-149
• 附錄2 攻讀學(xué)位期間參加的學(xué)術(shù)會議149-150
• 附錄3 攻讀學(xué)位期間主持及參與的科研項(xiàng)目150

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