基于晶格玻爾茲曼方法的微尺度流動理論研究.pdf

1、微尺度流動作為一門新興科學廣泛地應用于微機電系統(tǒng)、微納系統(tǒng)、生物芯片以及航天航空等眾多領域。小劑量、高精確度、高靈活度驅動和控制流體是微流體操作設備的關鍵技術。尺度的減小使得原本在宏觀領域被忽略的因素，在微尺度流動中占據重要地位，因此傳統(tǒng)的宏觀流體驅動方式和傳熱特點不適合微尺度流動系統(tǒng)，探索新的驅動方式以及微尺度流動特殊性質對傳熱產生的影響是目前研究的重點。另外一方面，由于微尺度流動的不連續(xù)性，基于連續(xù)介質假設的經典流體動力學方法不再適

2、用，同時基于離散粒子的分子動力學因其巨大的計算量難以得到廣泛的應用。以微觀粒子動力學為背景的介觀尺度的晶格玻爾茲曼方法，以其獨特的優(yōu)勢:物理背景清晰、編程容易、計算簡單、較強的并行性和可擴展性，成為研究非連續(xù)性微尺度流動的高效途徑。
　　本文采用晶格玻爾茲曼方法研究微尺度流體驅動和傳熱的基本問題。這需要較強的復雜邊界和非等溫流動的處理能力，但目前晶格玻爾茲曼方法在這兩方面還有一些不足:一方面，以力源為基礎的浸入邊界-晶格玻爾茲曼方

3、法難以處理浸入的復雜速度邊界;另一方面，目前存在的基于低階Hermite展開式的熱晶格玻爾茲曼方法，對于粘性熱耗散和壓縮功的考慮都基于Boussinesq近似，即能量場和動量場是非耦合的。本文正是基于以上兩個問題展開對微尺度流體驅動與傳熱的研究，分別提出了基于速度源修正的浸入邊界-晶格玻爾茲曼方法和耦合的總能形式的雙分布函數熱晶格玻爾茲曼方法，在理論上完善了晶格玻爾茲曼方法在微尺度流動和傳熱領域的理論體系，并對仿生行波微流體驅動模型和微

4、尺度對流模型進行了詳細的研究，探索了微尺度流動前沿新特點。本文研究得出的結論對于微尺度流動問題的研究具有重要的理論指導意義，對未來微流體系統(tǒng)的發(fā)展具有促進作用。
　　論文主要工作如下:
　　1.以力源為基礎的傳統(tǒng)的浸入邊界-晶格玻爾茲曼方法研究浸入的復雜速度邊界時，需要把速度邊界產生的形變轉化為力源添加到晶格玻爾茲曼方程中，轉化過程復雜，難以得到精確的力源。由于速度邊界的形變信息完全包含在速度信息內，我們將浸入邊界以速度源的

5、形式引入晶格玻爾茲曼方程中，構建了基于速度源修正的浸入邊界-晶格玻爾茲曼方法。將此方法用于研究我們所提出的仿生行波微流體驅動模型。該模型是根據精子的運動模式構建的，將一端固定的行波波動的彈性體放置在微管道內，波動的彈性體如同頭部固定尾巴自由波動的精子，利用流體的粘性，彈性體帶動周圍的流體運動形成流場。為了驗證本文所提出的基于速度源修正的浸入邊界-晶格玻爾茲曼方法的可行性和準確性，與傳統(tǒng)的浸入邊界-晶格玻爾茲曼方法、有限差分法結果對比，研

6、究證明本文所提方法是準確可行的，并大大提高了計算效率。同時也分析了仿生行波微流體驅動模型中壓力和速度的分布情況，以及模型的彈性體波動頻率、振幅、波長、長度、位置和流體運動粘度等不同參數對出口處流量的影響。
　　2.由于目前存在的考慮粘性熱耗散和壓縮功的熱晶格玻爾茲曼方法中能量場和動量場是非耦合的，本文將能量場內溫度變化以動量源的形式引入到動量演化方程中，構建了耦合的總能形式的雙分布函數熱晶格玻爾茲曼方法，此方法能夠考慮粘性熱耗散和

7、壓縮功對微流體的影響。并利用微尺度自然熱對流模型驗證了此方法可行性和準確性，分析了不同瑞利數和普朗特數情況下粘性熱耗散和壓縮功對自然對流的影響。
　　3采用耦合的總能形式的雙分布函數熱晶格玻爾茲曼方法研究了粘性熱耗散和壓縮功對微尺度Rayleigh-Bénard對流的影響。研究發(fā)現粘性熱耗散和壓縮功能夠促進對流傳熱，隨著瑞利數的增加，這種促進作用增強，封閉腔內形成明顯的薄邊界層;隨著尺度的減小，促進作用也增強，考慮粘性熱耗散和壓縮