两相方腔流的格子Boltzmann模拟

利用基于Shan-Chen多相模型的格子Boltzmann方法对方腔内上板拖动的两相流动问题开展较为系统的数值模拟,详细研究雷诺数(Re),毛细数(Ca)和壁面润湿性对流动以及混合特性的影响.结果表明:Re数、Ca数越大,方腔内两相流体的混合界面长度越大,混合效果越好.另外,壁面憎水程度越高,混合界面长度增加越快,然而对于强亲水壁面,混合界面长度最终趋于一常数.     

通道中串列旋转圆柱的格子Boltzmann-虚拟区域方法的模拟

通过结合格子Boltzmann方法(LBM)和虚拟区域(Fictitiou sDomain)思想,建立格子Boltzmann-虚拟区域(LB-DF/FD)方法.采用两套网格系统,欧拉网格用于流体,拉格朗日网格用于固体.原有的LBM在计算运动固体的受力方面存在数据振荡,LB-DF/FD方法改进了此缺陷.为验证该方法,模拟圆柱绕流、圆形颗粒在无限长通道中平动及在无限大流场中转动三种情况,结果与其他数值解及理论解符合得很好.利用该方法模拟低雷诺数下通道中串列旋转圆柱周围的流场,分析圆柱间距(g)及雷诺数(Re)对流场结构的影响.给出Re=0.001,0.1和10下,0.2≤g≤8.0的流线结构、圆柱升力、阻力以及力矩等数值结果.结果表明,g对流场的结构及圆柱的受力有显著影响,Re对圆柱阻力及Stokes单元数目的影响较大.     

脉动参数对波纹通道内传热强化的影响

采用曲线坐标系下压力与速度耦合的SIMPLER算法,数值研究了波纹通道内脉动流动与换热情况,流动Re数的范围为5~500,Pr数为0.7.计算考察了脉动参数如脉动频率和振幅对通道内强化传热和压力损失的影响.研究结果表明,流动阻力特性呈周期性余弦规律变化,换热Nu数呈正弦规律变化;频率、振幅的增大,使得阻力脉动幅度增大.受入口脉动流的影响,通道内的旋涡发生周期性的脱落、增长和迁移,从而增强了流体之间的扰动和掺混,强化了传热;传热的强化效果随着振幅的增大而增强,但在特定入口脉动流下,相同振幅不同频率下的强化效果几乎一致.     

周期性波纹通道内换热与流动的数值研究

采用曲线坐标系下压力与速度耦合的SIMPLER算法,数值研究了一种紧凑换热器中波纹通道内周期性充分发展的层流流动与换热情况,流动Re数的范围为100~1100,Pr数为0.7.计算考察了不同波纹高度、波纹间距对流动与换热的影响,并对模型参数进行了性能评价.计算结果表明,整体Nu数及fRe数随着流动Re数的增加而增加.随着波纹高度的增加或波纹间距的减小,换热增强,特别是在高Re数下波纹高度的增加更加强化换热.最佳波纹高度和间距分别为1.15 mm和13 mm.     

流体黏度对微通道中颗粒分离的影响

目前,微流体颗粒分离研究大多使用低黏度的去离子水作为基液,未考虑流体黏度对颗粒分离的影响。现实中广泛存在高黏度流体中的颗粒分离,如机械状态监测时需要对润滑油中的磨损颗粒进行分离。本文利用双边带有对称尖角结构的微通道,对不同黏度流体中的颗粒分离进行实验研究,发现流体黏度较低时,大颗粒受到的动量改变而引发的惯性力占优,向微通道的中心位置运动;小颗粒受到的惯性升力占优,向微通道两侧的平衡位置运动,最终实现不同尺寸颗粒的分离,分离效率约达100%。当流体黏度较高时,流体对颗粒的拖曳作用增强,显著影响颗粒在微通道中的侧向迁移行为,颗粒分离效率降低至71.5%。本文的研究工作对于微流体技术在实际中的应用有着重要的意义。     

微尺度稀薄效应下颗粒沉降的格子Boltzmann方法模拟

基于多松弛格子Boltzmann模型,对竖直细长微通道内颗粒自由沉降过程进行模拟,分析气体稀薄效应、初始位置以及颗粒间相互作用对微颗粒沉降特性的影响.研究表明：随Knudsen数增大,微通道内气体稀薄效应增强,颗粒表面气体滑移速度增大,气相流体有效粘度减小,颗粒相同运动状态下受到气体阻力相应减小,颗粒沉降平衡速度明显增大;不同初始位置颗粒沉降过程存在明显差异,初始位置偏离中心线颗粒将发生水平方向位移且呈振荡趋势,最终稳定于中心线平衡位置;在微尺度双颗粒沉降DKT现象过程中,气体稀薄效应影响颗粒运动特性,后颗粒跟随过程明显增长.     

微通道内单颗粒周围微观流场的直接定量观测

本文基于显微粒子图像测速技术(μPIV),对微通道内处于惯性聚焦状态下单颗粒的动力学行为及其诱导的微观二次流动进行了可视化定量研究.通过引入坐标平移法、平方函数法和图像叠加法等图像处理方法,实现了对含有运动边界的微小流动区域内流场结构的直接观测。研究表明,颗粒的运动速度和转速与Re数呈正比例关系;而一定范围Re数下,颗粒相对壁面的距离随Re数变化基本不变;随着Re增大,颗粒同侧前方的涡状流动显著增强。     

周期性渐扩-渐缩通道层流流动与换热特性研究

以渐扩-渐缩通道内周期性充分发展的层流流动与换热为研究对象,采用SIMPLE算法,适体坐标网格及Amano周期性边界条件的实施方案对之进行数值模拟,计算了在层流范围内不同Re数下的流动与换热规律.结果表明,在Re=100~1000范围内,与平行平板通道相比,阻力增强了(10~200)%,换热增强了(40~320)%.     

非对称纳米通道内流体流动与传热的分子动力学

采用分子动力学方法研究了流体在非对称浸润性粗糙纳米通道内的流动与传热过程,分析了两侧壁面浸润性不对称对流体速度滑移和温度阶跃的影响,以及非对称浸润性组合对流体内部热量传递的影响.研究结果表明,纳米通道主流区域的流体速度在外力作用下呈抛物线分布,但是纳米通道上下壁面浸润性不对称导致速度分布不呈中心对称,同时通道壁面的纳米结构也会限制流体的流动.流体在流动过程中产生黏性耗散,使流体温度升高.增强冷壁面的疏水性对近热壁面区域的流体速度几乎没有影响,滑移速度和滑移长度基本不变,始终为锁定边界,但是会导致近冷壁面区域的流体速度逐渐增大,对应的滑移速度和滑移长度随之增大.此时,近冷壁面区域的流体温度逐渐超过近热壁面区域的流体温度,流体出现反转温度分布,流体内部热流逆向传递.随着两侧壁面浸润性不对称程度增加,流体反转温度分布更加明显.     

不连续冷源布局多孔介质内热流耦合LBM数值模拟

为研究不连续冷源边界对内置发热体多孔介质方腔内传热及流动的影响,采用格子Boltzmann方法对REV尺度下多孔介质方腔内的自然对流进行计算,并研究瑞利数（Ra）、达西数（Da）、孔隙度对多孔介质方腔内传热流动的影响.发现Da对方腔内的流体流型影响很大,Da为10^-4时,多孔介质方腔内只有一个涡流,而Da为10^-2时,方腔内有两个涡流.增大Ra、Da、孔隙度可以提高冷源壁面的平均努赛尔数（Nu）,增强散热效果,孔隙率对平均Nu影响程度和Da的大小有关.当冷源布置在壁面上方,壁面的平均Nu随Ra的增加剧烈变化,方腔处于高Ra条件下时,将冷源布置在边界的上方可以提高散热效果.6种布置方案中Case 6的散热效果最好.     

室内可吸入颗粒物运动特性的格子 Boltzmann方法模拟

为探究室内可吸入颗粒物的运动特性,使用格子Boltzmann方法,在颗粒物运动概率模型的基础上考虑布朗力对颗粒物的作用,利用改良的LB-CA（Lattice Boltzmann-cellular automata）模型,模拟了Re数分别为400、1 000和2 000时粒径为0.01 μm、0.1 μm和1 μm的颗粒物在上送上回和上送侧回两种回风形式中的运动特性.结果显示：颗粒物的空间分布范围随着Re数的增大而增大,小粒径的颗粒物受到气流湍动和扩散作用的影响更明显;颗粒物的均方位移（mean square displacement,MSD）与Re数、颗粒物粒径的大小成反比,而同样的Re数下,颗粒物在上送侧回的回风形式中其MSD较大.总体上看上送侧回的回风形式具有较低的悬浮颗粒数和更高的室内空气品质.     

Large eddy simulation of orientation and rotation of ellipsoidal particles in isotropic turbulent flows

The rotational motion and orientational distribution of ellipsoidal particles in turbulent flows are of significance in environmental and engineering applications. Whereas the translational motion of an ellipsoidal particle is controlled by the turbulent motions at large scales, its rotational motion is determined by the fluid velocity gradient tensor at small scales, which raises a challenge when predicting the rotational dispersion of ellipsoidal particles using large eddy simulation (LES) method due to the lack of subgrid scale (SGS) fluid motions. We report the effects of the SGS fluid motions on the orientational and rotational statistics, such as the alignment between the long axis of ellipsoidal particles and the vorticity, the mean rotational energy at various aspect ratios against those obtained with direct numerical simulation (DNS) and filtered DNS. The performances of a stochastic differential equation (SDE) model for the SGS velocity gradient seen by the particles and the approximate deconvolution method (ADM) for LES are investigated. It is found that the missing SGS fluid motions in LES flow fields have significant effects on the rotational statistics of ellipsoidal particles. Alignment between the particles and the vorticity is weakened; and the rotational energy of the particles is reduced in LES. The SGS-SDE model leads to a large error in predicting the alignment between the particles and the vorticity and over-predicts the rotational energy of rod-like particles. The ADM significantly improves the rotational energy prediction of particles in LES.     

非对称弯曲微流道中粒子惯性聚焦动态过程及流速调控机理研究

设计制作了一种具有非对称弯曲微流道结构的微流控芯片, 搭建实验平台定量表征聚苯乙烯粒子和血细胞沿流道的动态惯性聚焦过程, 并系统研究了流体流速和粒子尺寸对粒子聚焦特性的调控机理. 通过分析粒子荧光图谱和对应量化强度曲线, 将粒子沿流道长度的横向迁移过程分为形成聚焦和平衡位置调整两个阶段, 指出在整个聚焦过程中具有小曲率半径的流道结构起主导作用. 根据全流速段内粒子聚焦特性的演变, 重点分析潜在惯性升力和Dean 曳力的竞争机制, 提出了阐述粒子聚焦流速调控过程的三阶段模型. 进一步比较两种尺寸粒子聚焦位置和聚焦率随流速与流道长度的变化规律, 发现大粒子具有更好的聚焦效果和稳定性, 且两种粒子的相对位置可通过流速进行调整. 最后, 通过分析血细胞在非对称弯流道中的横向迁移特性, 验证了粒子惯性聚焦机理在复杂生物粒子操控方面的适用性. 上述结论为深入研究微流体环境下粒子的运动特性以及开发微流式细胞术等临床即时诊断器件提供了重要参考.     

振动纤维捕集颗粒的格子Boltzmann模拟

采用格子Boltzmann方法对振动纤维捕集颗粒进行数值研究.纤维附近采用多块网格加细技术计算,颗粒采用Lagrange跟踪方法模拟.研究雷诺数为200的流向振动纤维绕流的AⅡ、AⅢ、AIV、S四种涡结构下的亚微米煤粉颗粒的捕集问题.结果表明纤维的流向强迫振动能够显著提高颗粒的捕集效率.且迎风面的捕集效率提升不大,背风面的提升则更为显著.颗粒撞击角度的统计反映了背风面捕集效率提升的细节.另外流动处于AⅢ模态时,每个周期内脱落两个正涡一个负涡,被捕集颗粒的初始位置分布不对称.而其它模态基本关于流场中心对称.     

Non-equilibrium Wall Deposition of Inertial Particles in Turbulent Flow

Non-equilibrium effects resulting from the slow relaxation of inertial particles to statistical equilibrium with flow fluctuations in turbulence are known to have important consequences, but they are not readily incorporated into models. Here, a simple analysis of these effects predicts −2/3 power-law dependence of the particle deposition rate on Stokes number (normalized particle inertia) in the far field of a confined turbulent flow, and a weaker near-field dependence. Near-field measurements and numerical simulations exhibit this weaker dependence, as do models that are generally viewed as validated by this result, but the models fail to capture the newly identified far-field behavior due to their equilibrium assumptions. Quantification of these qualitative observations is obtained by incorporating particle response to fluid motion into ‘one-dimensional turbulence’ (ODT), a stochastic computational model of turbulence.     

Force-coupling method for flows with ellipsoidal particles

The force-coupling method, previously developed for spherical particles suspended in a liquid flow, is extended to ellipsoidal particles. In the limit of Stokes flow, there is an exact correspondence with known analytical results for isolated particles. More generally, the method is shown to provide good approximate results for the particle motion and the flow field both in viscous Stokes flow and at finite Reynolds number. This is demonstrated through comparison between fully resolved direct numerical simulations and results from the numerical implementation of the force-coupling method with a spectral/hp element scheme. The motion of settling ellipsoidal particles and neutrally buoyant particles in a Poiseuille flow are discussed.     

Rotational Brownian dynamics simulations of non-interacting magnetized ellipsoidal particles in d.c. and a.c. magnetic fields

The rotational Brownian motion of magnetized tri-axial ellipsoidal particles (orthotropic particles) suspended in a Newtonian fluid, in the dilute suspension limit, under applied d.c. and a.c. magnetic fields was studied using rotational Brownian dynamics simulations. The algorithm describing the change in the suspension magnetization was obtained from the stochastic angular momentum equation using the fluctuation-dissipation theorem and a quaternion formulation of orientation space. Simulation results are in agreement with the Langevin function for equilibrium magnetization and with single-exponential relaxation from equilibrium at small fields using Perrin's effective relaxation time. Dynamic susceptibilities for ellipsoidal particles of different aspect ratios were obtained from the response to oscillating magnetic fields of different frequencies and described by Debye's model for the complex susceptibility using Perrin's effective relaxation time. Simulations at high equilibrium and probe fields indicate that Perrin's effective relaxation time continues to describe relaxation from equilibrium and response to oscillating fields even beyond the small field limit.     

微液滴振荡过程的光滑粒子动力学方法数值模拟

本文对传统的光滑粒子动力学方法进行了改进, 改进的光滑粒子动力学方法对传统粒子方法中的核梯度进行了修正, 采用了一种新型的核函数和离散格式, 应用改进的光滑粒子动力学方法对微液滴振荡过程进行了数值研究. 研究了不同纵横比和雷诺数(Re)下振荡阻尼与振荡的周期、振幅与Re数的关系. 研究表明: 对于纵横比λ≤ 4时的微液滴振荡过程, 其他参数恒定不变的前提下, Re数越大, 液滴形状变化越剧烈, 波的阻尼作用越弱, 液滴振荡周期变长; 在Re数一定的前提下, 随着液滴初始的纵横比的增大, 液滴振动的振幅增大, 液滴振荡的周期变长.