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微通道内两相流界面追踪的数值模拟

作　者: 高一娟
导　师: 尤学一
学　校: 天津大学
专　业: 环境科学
关键词: 两相流 LevelSet方法 界面追踪 接触角
分类号: O359.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要


上世纪90年代以来,自然科学与工程技术发展的一个重要趋势是向微型化迈进。人们的注意力从熟悉的常规尺度对象向不熟悉的微观世界转移,特别是微电子机械系统(MEMS)和纳米材料的发展,引起了人们对微尺度问题的极大兴趣。微槽道内多相流问题作为化工、环境监测等领域的一个重要问题,受到了极大地关注。本文基于多相流理论,应用Level-Set方法,建立了微尺度两相流相界面跟踪模型,实现了微槽道中液液两相流的相界面追踪的动态模拟。模拟实例包括:(1)微槽道内油、水两相分层流中,单个油滴从水中上升,最后融入到顶部油相中,追踪了油滴在水相中的界面运动过程和流动速度场。可以看出,油滴首先加速向上运动,达到最大值后,匀速向上,接近油水界面时液滴迅速融入油相中;(2)对水相中两个油滴融合的界面迁移过程和流动速度场进行了追踪。可以看出,两油滴各自加速向上运动,两油滴间距离开始变大。当后面液滴达到一定速度后,油滴间距离迅速变小,后面油滴追上前面油滴,很快与前面油滴融合,形成一个大油滴,继续向上运动;(3)模拟了? ? 60?和? ? 120?二种不同接触角下油滴的生长过程,得到了不同亲水性壁面的油滴生长方式;(4)接触角? ? 120?时,模拟了油滴生长与侧壁发生接触的过程,得到了油滴与壁面作用时相界面的演化方式。结果表明,本文建立的两相流微流动数值模型能很好的实现界面的动态跟踪和流场模拟,为微槽道内多相流流动模拟打下了好的基础。

全文目录


中文摘要  3-4
ABSTRACT  4-6
目录  6-8
第一章 绪论  8-15
  1.1 研究背景及现状  8-11
    1.1.1 微通道内多相流界面跟踪的研究背景  8-9
    1.1.2 研究模拟界面运动数值方法的意义  9-10
    1.1.3 国内外研究现状  10-11
  1.2 多相流体力学及工程应用简介  11-13
    1.2.1 多相流体的特点  11-12
    1.2.2 两相流及三相流分类  12
    1.2.3 多相流在工程中的应用状况  12-13
    1.2.4 环境保护中的多相流的应用研究  13
  1.3 本文的研究工作  13-15
第二章 数学模型和模拟方法  15-25
  2.1 数学模型  15-19
    2.1.1 控制方程  15-16
    2.1.2 定解条件  16-19
  2.2 流体运动的数值模拟方法  19-22
    2.2.1 有限差分法（FiniteDifferenceMethod）  19-20
    2.2.2 有限元法（FiniteElementMethod）  20-21
    2.2.3 有限体积法（FiniteVolumeMethod）  21
    2.2.4 边界单元法（BEM）  21-22
  2.3 有限元多物流场建模与分析软件简介  22-25
    2.3.1 COMSOLMultiphysics的主要组成部分及功能  22-23
    2.3.2 COMSOLMultiphysics的典型建模过程  23-25
第三章 基于LevelSet 方法的两相流运动界面追踪  25-32
  3.1 两流体模型的基本原理  25-26
  3.2 模拟界面运动数值方法的简介  26-28
  3.3 LevelSet方法  28-30
    3.3.1 LevelSet方法  28
    3.3.2 LevelSet函数和LevelSet方程  28-30
    3.3.3 重新初值化  30
  3.4 关于平滑Heaviside函数说明  30-32
第四章 模拟结果与讨论  32-52
  4.1 单油滴水中运动模拟  32-40
    4.1.1 数学模型  32-33
    4.1.2 φ的重新初始化  33-35
    4.1.3 边界设置  35-36
    4.1.4 网格划分  36-38
    4.1.5 计算结果  38-40
  4.2 液滴水中合并模拟  40-44
    4.2.1 φ值选取  40-41
    4.2.2 模拟结果  41-44
  4.3 液滴生长过程模拟  44-49
    4.3.1 数学模型  44-45
    4.3.2 φ值选取  45-46
    4.3.3 边界条件的设置  46-47
    4.3.4 网格划分  47-48
    4.3.5 油滴形成过程对比  48-49
  4.4 θ-120°接触角时油滴的生长模拟过程  49-52
第五章 结论与展望  52-54
  5.1 主要结论  52
  5.2 展望  52-54
参考文献  54-58
发表论文和科研情况说明  58-59
致谢  59

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中图分类: > 数理科学和化学 > 力学 > 流体力学 > 多相流 > 液、气（汽）二相流
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