顆粒界面和顆粒流體系統(tǒng)的格子玻爾茲曼模擬.pdf

1、顆粒流體系統(tǒng)是自然界中常見(jiàn)的復(fù)雜系統(tǒng)，無(wú)論是工業(yè)上的生產(chǎn)，還是氣候的變化以及河流湖泊的運(yùn)動(dòng)等許多與生活息息相關(guān)的活動(dòng)都與其密切相關(guān)。因此對(duì)顆粒流體系統(tǒng)的研究在發(fā)展高新技術(shù)，振興傳統(tǒng)工業(yè)等方面均有重要的影響。
　　 顆粒流體間的相互作用本質(zhì)上是由顆粒流體界面性質(zhì)決定的。界面性質(zhì)的不同會(huì)導(dǎo)致各種各樣不同的界面現(xiàn)象。其中一種界面現(xiàn)象—超疏水現(xiàn)象在自然界中是—種很普遍的存在，例如荷葉效應(yīng)，蚊蠅的翅膀，水稻的葉片等。超疏水材料由于其較大的

2、接觸角以及很小的滑移角使其在以防結(jié)冰，防水等為目的的工業(yè)應(yīng)用上具有很高的參考價(jià)值。
　　 本論文所采用的方法都是基于格子玻爾茲曼方法(LatticeBoltzmann Method，LBM)。首先我們提出了—種新的計(jì)算速度比較快的方法，并通過(guò)對(duì)鼓泡床的一些特性進(jìn)行模擬研究，定性的驗(yàn)證了新方法的正確性。然后用新方法對(duì)宏觀尺度下的顆粒流體系統(tǒng)中常見(jiàn)的流化床進(jìn)行模擬，得到的數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致，定量驗(yàn)證了方法的正確性。為考慮界面對(duì)流體

3、性質(zhì)的影響，我們用SC(Shan-Chen，SC)模型對(duì)介觀尺度下的超疏水現(xiàn)象進(jìn)行了模擬研究，驗(yàn)證了納微結(jié)合對(duì)超疏水現(xiàn)象中接觸角、Cassie-Wenzel態(tài)轉(zhuǎn)變和液滴在疏水表面滑動(dòng)的影響。另外我們對(duì)界面現(xiàn)象中常用的Cassie方程進(jìn)行研究并對(duì)其成立的兩個(gè)前提假設(shè)進(jìn)行了驗(yàn)證。具體內(nèi)容如下:
　　 1宏觀尺度下的顆粒流體系統(tǒng)模擬研究
　　 (1)提出了一種計(jì)算流場(chǎng)的新方法。新方法有計(jì)算速度快，具有天然的并行性和易于實(shí)現(xiàn)大規(guī)

4、模的模擬等優(yōu)勢(shì)，在顆粒流體系統(tǒng)的研究中具有良好的應(yīng)用前景。本方法對(duì)于流場(chǎng)的求解采用考慮了孔隙率以及流固兩相的滑移速度對(duì)流體流動(dòng)影響的修正格子玻爾茲曼方法。顆粒運(yùn)動(dòng)的求解采用時(shí)驅(qū)硬球模型，流固之間的耦合采用EMMS(Energy-Minimization multi-scale，EMMS)曳力模型。根據(jù)新方法，對(duì)單孔射流鼓泡床的一些性質(zhì)進(jìn)行了研究。首先模擬了不同直徑的顆粒以及不同的氣速對(duì)形成氣泡等效直徑的影響;然后考察了不同氣速下各個(gè)顆粒

5、粒徑與分離時(shí)間的關(guān)系，并對(duì)不同的床層高度以及寬度下的氣泡形狀進(jìn)行了對(duì)比;最后模擬了空腔的誘導(dǎo)效應(yīng)。以上所研究得到的結(jié)果均與以前得到的實(shí)驗(yàn)，模擬結(jié)果或者理論相一致，定性的驗(yàn)證了新方法的正確性。
　　 (2)根據(jù)新方法，通過(guò)對(duì)單孔鼓泡床的模擬，得到不同氣速下氣泡的等效直徑并很好的與經(jīng)典經(jīng)驗(yàn)公式得到的數(shù)據(jù)相吻合。接著對(duì)提升管進(jìn)行了模擬，通過(guò)統(tǒng)計(jì)軸向孔隙率以及徑向孔隙率并與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，與兩者吻合很好。以上結(jié)果定量的驗(yàn)證了新方法的可

6、行性。
　　 2介觀尺度下超疏水現(xiàn)象的模擬研究
　　 (1)利用格子玻爾茲曼方法中的SC模型對(duì)超疏水現(xiàn)象進(jìn)行了模擬。在本論文中搭建了多個(gè)具有納米結(jié)構(gòu)以及微米結(jié)構(gòu)相結(jié)合的多尺度疏水固體表面結(jié)構(gòu)，對(duì)不同納微結(jié)合疏水表面上液滴的接觸角以及液滴的Cassie-Wenzel態(tài)的轉(zhuǎn)變進(jìn)行了模擬研究，并對(duì)液滴在不同結(jié)構(gòu)的疏水表面的滑動(dòng)的難易程度進(jìn)行了模擬。結(jié)果表明納微結(jié)合的確對(duì)超疏水現(xiàn)象的產(chǎn)生具有重要的影響。
　　 (2)利用