二元共混体系相态演化的格子Boltzmann模拟

摘要

本论文应用格子Boltzmann方法，模拟研究了二元共混体系在剪切流动下的相态演化，取得如下结果： 第一，针对二元共混体系相分离过程，通过模拟，考察了剪切强度，粘度，浓度等因素对体系相分离的影响，给出了自由能在相分离过程中的变化，观察到两相不相容的二元共混体系相态演化很大程度上由液滴分散相在流动过程中的破碎与融合行为所控制，第二，针对液滴分散相在流动过程中的相态演化，模拟了液滴的自发融合，剪切拉伸下破碎，剪切下碰撞等演化过程．其中重点研究了液滴碰撞导致融合与不能导致融合两种情形．通过两种情形下流体速度场的模拟，分析了其中涡旋产生与演化的特点，流场形变速率张量和涡旋张量的变化规律． 第三，针对液滴融合与破碎过程，在扩散界面模型的基础上，运用自由能格子Boltzmann方法，进一步研究了二元体系相态演化中与界面性质有关的问题，通过模拟与理论分析，解释了界面厚度对液滴融合行为的影响，分析了两种过程中体系界面能量与应力的相反变化趋势，结果表明二元体系相态演化的程度与扩散界面中两相浓度分布的变化有密切的联系． 本论文通过以上三部分工作，为研究共混体系相态演化提供了一种合适的方法，拓展了自由能格子Boltzmann方法的应用范围，并且对于该方法用于应力分析及处理界面问题作了有益的探索。

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引 言

第一章格子Boltzmann模拟的基本理论

1.1格子Boltzmann方程

1.2离散速度模型

1.2.1 D2Q9模型

1.2.2 D3Q15模型

1.3碰撞与迁移

1.4边界条件

1.4.1周期性边界条件

1.4.2速度边界条件

1.5与流体力学宏观方程的联系

小结

第二章二元共混体系相分离的格子Boltzmann模拟

2.1二元流体的格子Boltzmann模型

2.1.1自由能模型

2.1.2粘度的混合规则

2.2无外场二维和三维二元体系相分离的格子Boltzmann模拟

2.2.1无外场二维二元体系相分离

2.2.2无外场三维二元体系相分离

2.3剪切条件下二元体系相分离

2.3.1改变剪切速率

2.3.2改变两相粘度

2.3.3改变两相浓度

小结

第三章分散相液滴相态演化的格子Boltzmann模拟

3.1剪切下液滴拉伸与破碎过程的模拟

3.1.1二维模拟

3.1.2三维模拟

3.2无外场下液滴自发融合过程的模拟

3.2.1二维模拟

3.2.2三维模拟

3.3剪切下液滴碰撞过程的模拟

3.3.1剪切速率与粘度的影响

3.3.2碰撞后融合或碰撞后分离过程的流场分析

3.3.3流场的张量分析

小结

第四章有关界面性质的格子Boltzmann模拟研究

4.1扩散界面模型

4.2界面厚度对液滴融合过程的影响

4.3分散相相态演化过程分析

4.3.1扩散界面的混合粘度

4.3.2相态演化过程中的应力分析

小结

结 论

参考文献

致 谢