微化工機(jī)械DSMC-SPH多尺度耦合算法研究.pdf

1、目前，基于MEMS/NEMS(Micro/Nano Electro Mechanical Systems，簡稱MEMS/NEMS)技術(shù)的微器件在化工領(lǐng)域應(yīng)用愈來愈廣泛。隨著對(duì)其功能和性能等要求的提高，對(duì)微化工器件的物理特性和工作機(jī)理的研究成為近年來各國學(xué)者關(guān)注的熱點(diǎn)，是推動(dòng)微化工機(jī)械發(fā)展的一個(gè)關(guān)鍵因素。特別是，對(duì)于微化工流體機(jī)械，如微反應(yīng)器、微分離器和微泵等，由于其結(jié)構(gòu)特征尺寸是從微觀跨越到宏觀，其內(nèi)部流動(dòng)呈現(xiàn)出多尺度效應(yīng)，使得傳統(tǒng)的單

2、一尺度流體動(dòng)力學(xué)分析方法已不再適用于這類對(duì)象。因此，針對(duì)微化工器件進(jìn)行多尺度流動(dòng)機(jī)理研究，并根據(jù)其結(jié)果對(duì)微化工器件的結(jié)構(gòu)及參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，為新結(jié)構(gòu)、新器件等開發(fā)提供基礎(chǔ)理論依據(jù)，是當(dāng)前微化工機(jī)械技術(shù)中亟待深入開展的重要研究課題。針對(duì)微化工器件內(nèi)部流場(chǎng)的多尺度流動(dòng)特征，基于微觀到宏觀的跨尺度耦合流體動(dòng)力學(xué)分析，本文提出了一種基于直接蒙特卡洛方法(direct simulationMonte Carlo，簡稱DSMC)和光滑粒子動(dòng)力學(xué)方法(s

3、moothed particlehydrodynamics，簡稱SPH)耦合的多尺度方法--DSMC-SPH多尺度耦合算法，并應(yīng)用該方法對(duì)微化工分離器件中的多尺度流動(dòng)問題進(jìn)行了數(shù)值模擬和方法論證。結(jié)果表明，該多尺度耦合算法除了擁有傳統(tǒng)多尺度算法的“高效率”、“收斂性好”和“精度較高”等優(yōu)點(diǎn)外，還可用于解決傳統(tǒng)多尺度流動(dòng)模擬中難以處理的“復(fù)雜幾何邊界”、“瞬態(tài)特性”、“熱質(zhì)傳遞”和“多組分”等技術(shù)瓶頸，更加適合于詮釋微化工過程機(jī)械的流動(dòng)特

4、性和工作機(jī)理。本文的主要研究內(nèi)容和創(chuàng)新成果在于：
　　 (1)為將微尺度的DSMC方法和宏觀尺度的SPH方法耦合，分別改進(jìn)了兩種方法的邊界條件處理。主要是針對(duì)DSMC方法，基于單元格壓力分布，提出了新的一階和二階壓力邊界處理方法；通過新方法與解析解的結(jié)果比較，給出了方法的有效性論證。結(jié)果表明，新方法具有更好的適用性、收斂性和精度。其次，針對(duì)SPH方法，基于進(jìn)出口設(shè)置邊界粒子數(shù)據(jù)交換區(qū)，提出了適用于連續(xù)通道流動(dòng)的邊界處理方法，分別

5、應(yīng)用于Couette和Poiseuille流動(dòng)的模擬計(jì)算，并與解析解進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了新方法的有效性。經(jīng)修正后，二者的基于壓力耦合的邊界條件處理方法，更能滿足微化工流動(dòng)的跨尺度耦合計(jì)算要求。
　　 (2)采用改進(jìn)邊界條件處理的DSMC方法，對(duì)微尺度流場(chǎng)中兩種常見通道結(jié)構(gòu)(微直通道和微射流通道)的流動(dòng)特性和熱質(zhì)傳遞特性進(jìn)行了模擬分析。對(duì)于微直通道流動(dòng)，通過對(duì)壓力場(chǎng)、速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)分布、質(zhì)量流量和熱通量等的研究，獲得了變幾何特征AR及

6、壁面溫度Tw等作用下的熱質(zhì)傳遞特性，總結(jié)出了微直通道流場(chǎng)中不同于宏觀流動(dòng)的熱質(zhì)傳遞規(guī)律；對(duì)于微射流通道流動(dòng)，主要是研究了改變擴(kuò)展區(qū)溫度的情況下，其流動(dòng)過程中的熱質(zhì)傳遞特性，給出了分別對(duì)壁面進(jìn)行加熱和冷卻條件下，微射流場(chǎng)不同于宏觀射流場(chǎng)的熱質(zhì)傳遞規(guī)律。研究方法和結(jié)果可以用于指導(dǎo)新型微射流結(jié)構(gòu)反應(yīng)器的設(shè)計(jì)與開發(fā)。
　　 (3)融合DSMC方法處理微流動(dòng)和SPH方法處理瞬態(tài)連續(xù)流動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)，原創(chuàng)性地提出了一種DSMC-SPH多尺度耦合算

7、法。該耦合算法處理中，采用基于粒子模擬的DSMC方法求解微尺度流場(chǎng)的稀薄特性，同時(shí)采用基于粒子模擬的連續(xù)介質(zhì)假設(shè)SPH方法求解宏觀流場(chǎng)的連續(xù)特性，實(shí)現(xiàn)了由DSMC到SPH的跨尺度耦合計(jì)算；重點(diǎn)探討了計(jì)算區(qū)域劃分、算法界面處的耦合迭代方式以及界面信息交換過程等；構(gòu)造了DSMC-SPH多尺度耦合算法的計(jì)算流程，研究了多尺度算法的收斂判斷條件，編寫完成了整個(gè)計(jì)算程序；結(jié)合文獻(xiàn)中的標(biāo)準(zhǔn)算例及結(jié)果，對(duì)該方法進(jìn)行了多尺度流場(chǎng)計(jì)算的有效性考核和方法論

8、證，探討了不同參數(shù)對(duì)算法收斂性及效率的影響等。結(jié)果表明，該算法及程序不僅擁有傳統(tǒng)多尺度算法的“高效率”、“收斂性好”和“精度較高”等優(yōu)點(diǎn)，而且更適用于解決“復(fù)雜幾何邊界”、“瞬態(tài)特性”和“熱質(zhì)傳遞”等實(shí)際化工流動(dòng)問題。
　　 (4)采用上述DSMC-SPH多尺度耦合算法，對(duì)用于多組分氣體分離的微篩以及用于燃料電池氫提純的微分離膜結(jié)構(gòu)等的多尺度流場(chǎng)進(jìn)行模擬與分析。對(duì)于微篩結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)計(jì)算與分析了篩孔特征尺寸、篩孔壁面錯(cuò)位等流道幾何結(jié)