微型直管道中二相流体流动问题的数值仿真研究

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液滴分散流动与混合是指一相通过分散介质以微小液滴的形式进入另一相中进行相互混合传质,属二相流体在微管道中的流动问题,在食品化工、生物等领域有着重要应用,特别是MEMS、微流控分析芯片、生物芯片等微器件的广泛应用,使得液滴在微管道中的迁移变形问题备受关注。二相流动特征的多样性在基础层面和基于液滴大小精确调整的有关应用方面都是有趣的。比如:微小液滴能够用于控制化学反应或者去很好地限量输运物质。对于具有一定流动条件的有限区域和拥有适合相应设备表面兼容性质的流体,这种控制是一般可以达到。本文在前人研究圆形毛细管道中液滴做轴对称蠕动的基础上,运用相场方法和有限差分法模拟了液滴在方形微管道中迁移变形问题,分析液滴变形率这一重要参数的影响因素,对流速及压力差与流动过程中相关重要特征参数之间的关系进行了分析及探讨,最后分析了本课题涉及的无量纲参数对微管道二相流体流动问题的作用。主要工作如下: 1.应用相场理论及统计热力学方法,讨论了接触角及其在表面浸润过程中所起的作用,在广义朗之万方程的基础上,给出了微管道中多相流体流动问题的输运方程及其无量纲化方程,分析了主要无量纲化参数对流动过程的影响。 2.应用有限差分方法,将二相流体的输运方程离散化,并讨论了离散方程的交错网格方法以及SIMPLE和PISO压力修正方法,为方型直管道中二相微流体的输运方程建立了接数值求解方法,并给出了计算程序在Linux环境下批量运行的Makefile机制。 3.数值模拟了方型直管道中的液滴变形和流动过程,分析了主要无量纲参数(如Pe、Ca等)对液滴变形、流动过程的影响,并讨论了压力差与其它各物理参数的关系。结果表明,本文的方法是可行的,是一种模拟微型管中多相流体流动过程的有效方法。
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