微化工机械DSMCSPH多尺度耦合算法解读.doc

微化工机械DSMC-SPH多尺度耦合算法解读 微化工机械DSMC-SPH多尺度耦合算法解读 PAGE / NUMPAGES 微化工机械DSMC-SPH多尺度耦合算法解读 微化工机械 DSMC-SPH多尺度耦合算法 目前 , 鉴于 MEMS/NEMS(Micro/Nano Electro Mechanical Systems, 简 称 MEMS/NEMS)技术的微器件在化工领域应用越来越宽泛。跟着对其功能和性能等要求的提升 , 对微化工器件的物理特征和工作机理的研究成为最近几年来各国学者关注的热门 , 是推进微化工机械发展的一个要点要素。特别是 , 关于微化工流体机械 , 如微反响器、微分别器和微泵等 , 因为其结构特点尺寸是从微观超越到宏观 , 其内部流动体现出多尺度效应 , 使得传统的单调尺度流体动力学剖析方法已不再合用于这种对象。所以 , 针对微化工器件进行多尺度流动机理研究 , 并依据其结果对微化工器件的结构及参数进行优化 , 为新结构、新器件等开发供给基础理论依照 , 是目前微化工机械技术中亟待深入展开的重要研究课题。针对微化工 器件内部流场的多尺度流动特点 , 鉴于微观到宏观的跨尺度耦合流体动力学剖析 , 本文提出了一种鉴于直接蒙特卡洛方法 (direct simulationMonte Carlo, 简称 DSMC)和圆滑粒子动力学方法 (smoothed particlehydrodynamics, 简称 SPH)耦 合的多尺度方法—— DSMC-SPH多尺度耦合算法 , 并应用该方法对微化工分别器 件中的多尺度流动问题进行了数值模拟和方法论证。结果表示 , 该多尺度耦合算 法除了拥有传统多尺度算法的“高效率”、“收敛性好”和“精度较高”等优 点外 , 还可用于解决传统多尺度流动模拟中难以办理的“复杂几何界限”、“瞬 态特征”、“热质传达”和“多组分”等技术瓶颈 , 更为合适于解说微化工过程 机械的流动特征和工作机理。本文的主要研究内容和创新成就在于 :(1) 为将微 尺度的 DSMC方法和宏观尺度的 SPH方法耦合 , 分别改良了两种方法的界限条件 办理。主假如针对 DSMC方法 , 鉴于单元格压力散布 , 提出了新的一阶和二阶压力 界限办理方法 ; 经过新方法与分析解的结果比较 , 给出了方法的有效性论证。结 果表示 , 新方法拥有更好的合用性、收敛性和精度。其次 , 针对 SPH方法 , 鉴于进 出口设置界限粒子数据互换区 , 提出了合用于连续通道流动的界限办理方法 , 分 别应用于 Couette 和 Poiseuille 流动的模拟计算 , 并与分析解进行对照 , 考证了新方法的有效性。经修正后 , 两者的鉴于压力耦合的界限条件办理方法 , 更能知足微化工流动的跨尺度耦共计算要求。 (2) 采纳改良界限条件办理的 DSMC方法 , 对微尺度流场中两种常有通道结构 ( 微直通道和微射流通道 ) 的流动特征和热质传达特征进行了模拟剖析。关于微直通道流动 , 经过对压力场、速度场、温度场散布、质量流量和热通量等的研究 , 获取了变几何特点 AR及壁面温度 T_w等作用下的热质传达特征 , 总结出了微直通道流场中不一样于宏观流动的热质传达规律 ; 关于微射流通道流动 , 主假如研究了改变扩展区温度的状况下 , 其流动过程中的热质传达特征 , 给出了分别对壁面进行加热和冷却条件下 , 微射流场不一样于宏观射流场的热质传达规律。研究方法和结果能够用于指导新式微射流结构反响器 的设计与开发。 (3) 交融 DSMC方法办理微流动和 SPH方法办理瞬态连续流动的长处 , 原创性地提出了一种 DSMC-SPH多尺度耦合算法。该耦合算法办理中 , 采纳鉴于粒子模拟的 DSMC方法求解微尺度流场的稀疏特征 , 同时采纳鉴于粒子模拟的连续介质假定 SPH方法求解宏观流场的连续特征 , 实现了由 DSMC到 SPH的跨尺度耦共计算 ; 要点商讨了计算地区区分、算法界面处的耦合迭代方式以及界面 信息互换过程等 ; 结构了 DSMC-SPH多尺度耦合算法的计算流程 , 研究了多尺度算法的收敛判断条件 , 编写达成了整个计算程序 ; 联合文件中的标准算例及结果 , 对该方法进行了多尺度流场计算的有效性查核和方法论证 , 商讨了不一样参数对算法收敛性及效率的影响等。结果表示 , 该算法及程序不单拥有传统多尺度算法的 “高效率”、“收敛性好”和“精度较高”等长处 , 并且更合用于解决“复杂几 何界限”、“瞬态特征”和“热质传达”等实质化工流动问题。 (4) 采纳上述DSMC-SPH多尺度耦合算法 , 对用于多组分气体分别的微筛以及用于燃料电池氢 提纯的微分别膜结构等的多尺度流场进行模拟与剖析。关于微筛结构 , 要