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。隨著對其功能和性能等要求的提高，對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)，是推動微化工機(jī)械發(fā)展的一個關(guān)鍵因素。特別是，對于微化工流體機(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)部流動呈現(xiàn)出多尺度效應(yīng)，使得傳統(tǒng)的單

2、一尺度流體動力學(xué)分析方法已不再適用于這類對象。因此，針對微化工器件進(jìn)行多尺度流動機(jī)理研究，并根據(jù)其結(jié)果對微化工器件的結(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。針對微化工器件內(nèi)部流場的多尺度流動特征，基于微觀到宏觀的跨尺度耦合流體動力學(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)用該方法對微化工分離器件中的多尺度流動問題進(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)通道流動的邊界處理方法，分別

5、應(yīng)用于Couette和Poiseuille流動的模擬計(jì)算，并與解析解進(jìn)行對比，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，對微尺度流場中兩種常見通道結(jié)構(gòu)(微直通道和微射流通道)的流動特性和熱質(zhì)傳遞特性進(jìn)行了模擬分析。對于微直通道流動，通過對壓力場、速度場、溫度場分布、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)出了微直通道流場中不同于宏觀流動的熱質(zhì)傳遞規(guī)律；對于微射流通道流動，主要是研究了改變擴(kuò)展區(qū)溫度的情況下，其流動過程中的熱質(zhì)傳遞特性，給出了分別對壁面進(jìn)行加熱和冷卻條件下，微射流場不同于宏觀射流場的熱質(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方法處理微流動和SPH方法處理瞬態(tài)連續(xù)流動的優(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的稀薄特性，同時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，編寫完成了整個計(jì)算程序；結(jié)合文獻(xiàn)中的標(biāo)準(zhǔn)算例及結(jié)果，對該方法進(jìn)行了多尺度流場計(jì)算的有效性考核和方法論

8、證，探討了不同參數(shù)對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)際化工流動問題。
　　 (4)采用上述DSMC-SPH多尺度耦合算法，對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)等的多尺度流場進(jìn)行模擬與分析。對于微篩結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)計(jì)算與分析了篩孔特征尺寸、篩孔壁面錯位等流道幾何結(jié)