化工分離流動模擬中的SPH方法及跨尺度耦合算法研究.pdf

1、由于目前手性藥物和生物制劑的分離制備中廣泛存在生產效率低下、高污染和高能耗等問題，本研究試圖采用微流控技術設計出一種具有大通量分離能力的微型分離單元，稱之為“微篩”。微篩裝置依托于微機電技術(MEMS)，其基本結構由刻蝕在硅晶片和石英等基體上的微尺度流道組成，通過流體動力學作用可使流經微通道的不同組份產生遷移速度差，從而實現無堵塞、大通量和可調控的分離制備。但是由于此類流道尺度微小，在局部位置流動會呈現明顯的稀薄效應，以致于傳統的分析設

2、計方法不能指導此類裝置的設計。 本論文旨在探索一種適用于微篩裝置內部流場分析的數值模擬方法以指導微流道的結構設計。該裝置中的流動具有以下特點：連續(xù)流動與稀薄流動并存；流動介質多為固液兩相流和多相流；分離過程中常伴隨電磁及化學作用等。針對此類流動特性，本論文提出了一種基于光滑粒子流體動力學(SPH)和直接模擬蒙特卡洛法(DSMC)的跨尺度耦合算法以求解連續(xù)流動與稀薄流動相耦合的跨尺度效應問題。該方法的突出優(yōu)點在于，兩種子方法均為基

3、于物理模擬的非定常粒子算法，易于耦合計算復雜的流動問題，并且可以方便地實現三維問題的模擬。 論文中首先給出了SPH方法和DSMC方法分別模擬連續(xù)粘性不可壓流動和過渡流區(qū)域流動時的控制方程組和邊界條件的實現方法，在此基礎上確定了耦合方法的計算流程和相關的技術細節(jié)，并采用Fortran語言編寫了兩種子方法的計算程序。本文還主要論證了SPH方法用于化工分離流動模擬的可行性，自主編程并進行了一系列數值計算。首先用標準算例驗證了SPH方法

4、的理論模型和計算程序的準確性；通過比較確定選用五次樣條核作為計算低雷諾數下的粘性連續(xù)流動時的核函數；采用SPH方法和有限體積法分別對同一管道流動進行了對比計算，證明了本文提出的邊界緩沖區(qū)方法在實現SPH方法中的流體邊界條件時的有效性，解決了SPH方法模擬管道流動時的一個關鍵問題；巧妙地使用SPH方法對化工分離流動中常見的固液兩相流及固液耦合作用進行了模擬嘗試，獲得了較好的結果；在跨尺度計算方面，目前兩個子程序已經能夠分別模擬連續(xù)的和稀薄