介观尺度下微通道边界滑移特性的数值模拟

摘要

与宏观尺度下相比，边界条件对微通道中流体流动的影响更加显著，随着微通道尺度的减小，边界条件的影响甚至可以起到主导作用，因此对微流体系统实现特定的功能而言，对微通道中边界滑移特性进行研究具有重要的理论意义和应用价值。本文采用耗散粒子动力学(DPD)的方法，在介观尺度上研究了微通道的边界条件及表面润湿性对边界滑移的影响。
　　针对poiseuille流流动过程，分析了DPD模型中耗散力权函数的指数s对模拟系统中的扩散系数D、耗散粘度ηD、粘度η和施密特数Sc的影响。采用s=2时的耗散力权函数对介观尺度下的Poiseuille流在不同作用系数下的边界滑移进行模拟，冻结双层DPD粒子作为固体壁面，设滑移模型为Navier线性滑移。通过改变固液粒子的斥力系数awf、耗散系数γ、固体壁面的粒子密度ρw和壁面粒子到固液边界的距离α，研究了不同的固体边界参数对流动的影响。结果表明边界滑移速度与固液斥力系数awf成线性关系，随着awf的增大，滑移速度线性增加;滑移速度与固体壁面的耗散力系数γ呈指数关系，随着γ，的增大，滑移速度逐渐减小;滑移速度与固体壁面粒子密度ρ成线性关系，随着ρ增大，滑移速度增大;滑移速度与α呈对数正态关系，随着α增大，滑移速度先增大后降低。采用三次光滑样条曲线构造势能函数，能够得到具有近程相斥远程相吸的保守力权函数。
　　对固体壁面润湿性的模拟发现，液滴在固体表面的接触角与awf/af存在二次曲线关系，随着awf/af的增大而减小。对液体在具有不同润湿性表面的微通道中的流动状态进行的模拟表明，固体表面疏水性越大，通道对液滴的阻力越小，随着亲水性的增加，固体边界对流体粒子的阻碍作用越来越大。
　　对充满微通道的稳定流动的模拟结果显示，在疏水区域流体的边界滑移速度随着壁面接触角的变化比较剧烈，之后随着亲水性增加逐渐趋于稳定。从速度分析可以看出，边界疏水的通道中流体的流量要明显大于边界亲水的通道，由此可见边界滑移能够降低流体流动过程中的能量损失。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 选题背景

1．2 国内外研究现状

1．3 研究目的和内容

第2章 耗散粒子动力学模拟的理论基础

2．1 理论基础

2．1．1 参数的选取

2．1．2 区域计算方法

2．1．3 参数统计

2．2 数值积分方法

2．3 与真实流体的映射关系

2．4 边界条件

2．5 参数无量纲化

2．6 粒子的初始排布

2．7 模拟程序

2．8 本章小结

第3章 Poiseuille流动边界滑移的数值模拟

3．1 流体模型

3．2 DPD模型中的公式及参数

3．3 Poiseuille流动边界滑移的模拟

3．4 模拟结果及讨论

3．4．1 滑移速度与壁面耗散系数的关系

3．4．2 滑移速度与壁面保守力系数的关系

3．4．3 滑移速度与固体壁面粒子到固液界面的距离α的关系

3．4．4 滑移速度与固体壁面粒子密度的关系

3．4．5 滑移速度与其它影响因素的关系

3．4．6 边界滑移机理的分析

3．5 本章小结

第4章 不同润湿性壁面微通道界面滑移的数值模拟

4．1 DPD模拟方法的改进

4．2 表面润湿性模拟

4．3 不同润湿性壁面微通道内液滴的流动特性

4．4 不同润湿性壁面微通道内流动平衡时的边界滑移特性

4．5 本章小结

第5章 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

致谢