论文摘要
目前,基于MEMS/NEMS（Micro/Nano Electro Mechanical Systems,简称MEMS/NEMS）技术的微器件在化工领域应用愈来愈广泛。随着对其功能和性能等要求的提高,对微化工器件的物理特性和工作机理的研究成为近年来各国学者关注的热点,是推动微化工机械发展的一个关键因素。特别是,对于微化工流体机械,如微反应器、微分离器和微泵等,由于其结构特征尺寸是从微观跨越到宏观,其内部流动呈现出多尺度效应,使得传统的单一尺度流体动力学分析方法已不再适用于这类对象。因此,针对微化工器件进行多尺度流动机理研究,并根据其结果对微化工器件的结构及参数进行优化,为新结构、新器件等开发提供基础理论依据,是当前微化工机械技术中亟待深入开展的重要研究课题。针对微化工器件内部流场的多尺度流动特征,基于微观到宏观的跨尺度耦合流体动力学分析,本文提出了一种基于直接蒙特卡洛方法（direct simulationMonte Carlo,简称DSMC）和光滑粒子动力学方法（smoothed particlehydrodynamics,简称SPH）耦合的多尺度方法——DSMC-SPH多尺度耦合算法,并应用该方法对微化工分离器件中的多尺度流动问题进行了数值模拟和方法论证。结果表明,该多尺度耦合算法除了拥有传统多尺度算法的“高效率”、“收敛性好”和“精度较高”等优点外,还可用于解决传统多尺度流动模拟中难以处理的“复杂几何边界”、“瞬态特性”、“热质传递”和“多组分”等技术瓶颈,更加适合于诠释微化工过程机械的流动特性和工作机理。本文的主要研究内容和创新成果在于:（1）为将微尺度的DSMC方法和宏观尺度的SPH方法耦合,分别改进了两种方法的边界条件处理。主要是针对DSMC方法,基于单元格压力分布,提出了新的一阶和二阶压力边界处理方法;通过新方法与解析解的结果比较,给出了方法的有效性论证。结果表明,新方法具有更好的适用性、收敛性和精度。其次,针对SPH方法,基于进出口设置边界粒子数据交换区,提出了适用于连续通道流动的边界处理方法,分别应用于Couette和Poiseuille流动的模拟计算,并与解析解进行对比,验证了新方法的有效性。经修正后,二者的基于压力耦合的边界条件处理方法,更能满足微化工流动的跨尺度耦合计算要求。（2）采用改进边界条件处理的DSMC方法,对微尺度流场中两种常见通道结构（微直通道和微射流通道）的流动特性和热质传递特性进行了模拟分析。对于微直通道流动,通过对压力场、速度场、温度场分布、质量流量和热通量等的研究,获得了变几何特征AR及壁面温度Tw等作用下的热质传递特性,总结出了微直通道流场中不同于宏观流动的热质传递规律;对于微射流通道流动,主要是研究了改变扩展区温度的情况下,其流动过程中的热质传递特性,给出了分别对壁面进行加热和冷却条件下,微射流场不同于宏观射流场的热质传递规律。研究方法和结果可以用于指导新型微射流结构反应器的设计与开发。（3）融合DSMC方法处理微流动和SPH方法处理瞬态连续流动的优点,原创性地提出了一种DSMC-SPH多尺度耦合算法。该耦合算法处理中,采用基于粒子模拟的DSMC方法求解微尺度流场的稀薄特性,同时采用基于粒子模拟的连续介质假设SPH方法求解宏观流场的连续特性,实现了由DSMC到SPH的跨尺度耦合计算;重点探讨了计算区域划分、算法界面处的耦合迭代方式以及界面信息交换过程等;构造了DSMC-SPH多尺度耦合算法的计算流程,研究了多尺度算法的收敛判断条件,编写完成了整个计算程序;结合文献中的标准算例及结果,对该方法进行了多尺度流场计算的有效性考核和方法论证,探讨了不同参数对算法收敛性及效率的影响等。结果表明,该算法及程序不仅拥有传统多尺度算法的“高效率”、“收敛性好”和“精度较高”等优点,而且更适用于解决“复杂几何边界”、“瞬态特性”和“热质传递”等实际化工流动问题。（4）采用上述DSMC-SPH多尺度耦合算法,对用于多组分气体分离的微筛以及用于燃料电池氢提纯的微分离膜结构等的多尺度流场进行模拟与分析。对于微筛结构,重点计算与分析了筛孔特征尺寸、筛孔壁面错位等流道几何结构参数变化对微筛内多尺度流场特性的影响;对于微分离膜结构,主要是计算与分析了多尺度流场中H2和CO不同的流动特性,包括各自的压力、流速以及多尺度流动效应。为了进一步探索更广义的多尺度通道流动特性,通过改变流场压力边界条件,探讨了不同压差驱动下,流场的多尺度流动规律;通过改变流场不同区域的特征尺寸,探讨了各自对多尺度通道流动的压力、速度以及质量流量等分布的影响。从而,比较全面地论证了该方法的有效性和准确性。
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