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《山东大学》 2019年
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基于晶格Boltzmann的微流体驱动理论与方法研究

任晓飞  
【摘要】:微流体驱动是微机电系统、微流控系统、生物芯片、微型传感器等微分析系统的核心技术。由于微尺度流动的特殊性,离散微液滴的介电润湿驱动、连续微流体的蠕动式驱动这两类典型的微流体驱动以及微流体传热方面还存在诸多不明确的问题。针对这些问题,本文提出了晶格Boltzmann-电流体动力学方法,研究了介电润湿驱动的离散微液滴运动,并对基于介电润湿的变焦液体微透镜进行了分析。从液滴所受电场力的角度揭示了介电润湿理论无法解释的接触角饱和现象;对传统的浸入边界-晶格Boltzmann方法进行了改进并用于研究蠕动流。解决了传统数值方法研究蠕动流时对波幅和波长大小的限制,克服了传统浸入边界-晶格Boltzmann方法不满足无滑移边界条件的缺点,并且避免了边界变形产生的力的复杂计算;提出了耦合的双分布函数热晶格Boltzmann方法并研究了黏性热耗散和压缩功对Rayleigh-Bénard对流的影响。打破了现有热晶格Boltzmann方法只适用于满足Boussinesq近似的热流动限制,扩展可热晶格Boltzmann方法的应用范围。论文的主要工作包括以下几个方面:1)提出了一种晶格Boltzmann-电流体动力学方法,研究了介电润湿对离散微液滴的驱动机理。将晶格Boltzmann和电流体动力学理论结合,采用密度分布函数描述流场,引入一种新的分布函数计算电场,并将电场力耦合到密度分布函数的演化方程中,实现了电场与流场的耦合。分析了液滴运动过程中电场分布情况、液滴形态、液滴边缘位置、液滴润湿长度及接触角随时间的变化过程;研究了电极切换频率、外加电压和液体黏度等因素对液滴速度的影响。该方法较好地揭示了现有理论无法解释的固-液接触角饱和现象,可以从液体所受电场力的角度解释导电液体、介电液体和低表面张力液体形成的液滴的驱动机理。2)采用晶格Boltzmann-电流体动力学方法研究了基于介电润湿的变焦液体微透镜。分析了电压对透镜曲率半径、透镜焦距和光焦度的影响,建立了电压与焦距的关系;研究了透镜从凹透镜到凸透镜的转变,分析了透镜变焦的动态演变过程;讨论了液体物理性质对透镜响应时间及系统性能的影响。3)采用改进的浸入边界-晶格Boltzmann方法研究了蠕动流的驱动机理。将变形管壁的运动速度作为速度源引入晶格Boltzmann方程,避免了传统浸入边界-晶格Boltzmann方法中边界变形产生的力的复杂计算,研究了管道内的流场分布,分析了各相关参数如振幅比、频率、波数以及液体黏度对驱动效果的影响。仿真结果在较大的振幅比和波数条件下获得收敛的解,打破了传统数值方法在研究蠕动流时对波幅和波长大小的限制,克服了它们在处理动边界时网格重建的困难;克服了传统浸入边界-晶格Boltzmann方法不能完全满足无滑移边界条件的缺点。4)采用耦合的双分布函数热晶格Boltzmann方法研究了黏性热耗散和压缩功对Rayleigh-Bénard对流的影响。将温度的变化以动量源的形式引入动量演化方程,实现了动量场和能量场的耦合,打破了现有双分布函数热晶格Boltzmann方法仅限于温度变化较小的Boussinesq流的限制。分析了不同Rayleigh数和纵横比条件下,含黏性热耗散和压缩功与不含黏性热耗散和压缩功的两个Rayleigh-Bénard对流模型的差异,探索了黏性热耗散和压缩功对微流体传热的影响。
【学位授予单位】:山东大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2019
【分类号】:TH-39

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