基于格子Boltzmann模型的微管道混合邊界效應(yīng)的研究.pdf

1、微管內(nèi)流體的運(yùn)動(dòng)是自然界中的一種常見現(xiàn)象，在電子設(shè)備、微機(jī)電系統(tǒng)、航空工業(yè)、生物醫(yī)療等許多領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。因此，研究微管內(nèi)流體的運(yùn)動(dòng)具有非常重要的意義。 微管內(nèi)部結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，描述流體運(yùn)動(dòng)的控制方程具有非線性特征，很難用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)和理論方法對(duì)它進(jìn)行精確研究。隨著計(jì)算機(jī)和計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的發(fā)展，直接對(duì)控制方程進(jìn)行數(shù)值研究成為可能。只是由于網(wǎng)格精度和邊界穩(wěn)定等問題的存在，一般計(jì)算流體力學(xué)的應(yīng)用和發(fā)展受到一定的限制。 格子Bol

2、tzmann方法(Lattice Boltzmann method)是一種簡(jiǎn)化的基于微觀尺度層次的計(jì)算模型，經(jīng)過多尺度展開，可以推導(dǎo)出流體力學(xué)的宏觀方程。該方法容易處理微流動(dòng)中的界面動(dòng)力學(xué)和復(fù)雜邊界問題，并具有節(jié)省計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)空間、不存在截?cái)嗾`差、克服計(jì)算不穩(wěn)定性、邊界條件易處理和適合做大規(guī)模并行運(yùn)算等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于研究微流動(dòng)問題。本文應(yīng)用格子Boltzmann方法對(duì)微流動(dòng)的混合邊界效應(yīng)進(jìn)行了探討。 主要工作如下： ●介

3、紹了格子Boltzmann方法的起源、發(fā)展和研究現(xiàn)狀。給出了連續(xù)Boltzmann方法到格子Boltzmann方程推導(dǎo)過程，并利用Chapman-Enskog展開及Taylor展開等數(shù)學(xué)方法，從格子Boltzmann方程恢復(fù)出流體力學(xué)的Navier-Stokes方程。介紹Luo和Girimaji提出的二元流混合模型。 ●本文重點(diǎn)討論了格子Boltzmann方法應(yīng)用中的幾種典型的邊界條件，包括反彈邊界、反射邊界、外推格式和周期邊界

4、，二維的壓力和速度邊界，以及三維的邊界處理。特別是針對(duì)本文的微管流體仿真，分析了不同邊界的使用，以及混合邊界的設(shè)置問題。 ●本文提出了管道內(nèi)混合邊界的處理方法。分別在二維和三維微管道中模擬了混合邊界對(duì)流體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的影響。研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)混合邊界的比值處于黃金分割點(diǎn)附近時(shí)，流體波動(dòng)現(xiàn)象最明顯。利用Luo和Girimaji提出的二元流混合模型模擬了混合邊界對(duì)T型微管道中液一液混合的影響，結(jié)論同樣證實(shí)，當(dāng)混合邊界的比值處于黃金分割點(diǎn)附近時(shí)，