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)是自然界中常見的復(fù)雜系統(tǒng)，無論是工業(yè)上的生產(chǎn)，還是氣候的變化以及河流湖泊的運動等許多與生活息息相關(guān)的活動都與其密切相關(guān)。因此對顆粒流體系統(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—種新的計算速度比較快的方法，并通過對鼓泡床的一些特性進行模擬研究，定性的驗證了新方法的正確性。然后用新方法對宏觀尺度下的顆粒流體系統(tǒng)中常見的流化床進行模擬，得到的數(shù)據(jù)與實驗結(jié)果相一致，定量驗證了方法的正確性。為考慮界面對流體

3、性質(zhì)的影響，我們用SC(Shan-Chen，SC)模型對介觀尺度下的超疏水現(xiàn)象進行了模擬研究，驗證了納微結(jié)合對超疏水現(xiàn)象中接觸角、Cassie-Wenzel態(tài)轉(zhuǎn)變和液滴在疏水表面滑動的影響。另外我們對界面現(xiàn)象中常用的Cassie方程進行研究并對其成立的兩個前提假設(shè)進行了驗證。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)提出了一種計算流場的新方法。新方法有計算速度快，具有天然的并行性和易于實現(xiàn)大規(guī)

4、模的模擬等優(yōu)勢，在顆粒流體系統(tǒng)的研究中具有良好的應(yīng)用前景。本方法對于流場的求解采用考慮了孔隙率以及流固兩相的滑移速度對流體流動影響的修正格子玻爾茲曼方法。顆粒運動的求解采用時驅(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，對單孔射流鼓泡床的一些性質(zhì)進行了研究。首先模擬了不同直徑的顆粒以及不同的氣速對形成氣泡等效直徑的影響;然后考察了不同氣速下各個顆粒

5、粒徑與分離時間的關(guān)系，并對不同的床層高度以及寬度下的氣泡形狀進行了對比;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驗，模擬結(jié)果或者理論相一致，定性的驗證了新方法的正確性。
　　 (2)根據(jù)新方法，通過對單孔鼓泡床的模擬，得到不同氣速下氣泡的等效直徑并很好的與經(jīng)典經(jīng)驗公式得到的數(shù)據(jù)相吻合。接著對提升管進行了模擬，通過統(tǒng)計軸向孔隙率以及徑向孔隙率并與實驗數(shù)據(jù)進行比較，與兩者吻合很好。以上結(jié)果定量的驗證了新方法的可

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模型對超疏水現(xiàn)象進行了模擬。在本論文中搭建了多個具有納米結(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)變進行了模擬研究，并對液滴在不同結(jié)構(gòu)的疏水表面的滑動的難易程度進行了模擬。結(jié)果表明納微結(jié)合的確對超疏水現(xiàn)象的產(chǎn)生具有重要的影響。
　　 (2)利用