基于格子Boltzmann方法的T型微混合器仿真模拟

作     者：潘智文 

作者单位：东北大学 

学位级别：硕士

导师姓名：孔祥伟

授予年度：2012年

学科分类：080704[工学-流体机械及工程] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：格子Boltzmann方法 T型微混合器 影响因素 混合效果 

摘      要：微机电系统(micro electro mechanical systems, MEMS)是指基于集成电路工艺设计制造并集电子元件与机械器件于一体的微小系统。微混合器作为MEMS的重要组成部件,目前已越来越受到重视,对微尺度流动和液体混合的研究也变得越发重要。物理体系的研究方法可以分为理论研究,实验研究和数值模拟三大类,随着计算机技术的快速发展,数值模拟技术得到了越来越多的重视以及更广泛的应用。格子Boltzmann方法(LBM)作为一种全新的介观模拟方法在近20年得到了快速的发展。LBM既可以分析不连续流场,又相对节约计算量的特点使其在模拟微流体流动和建模方面取得了重要进展。 本文基于LBM来对微混合器中流体的混合问题进行模拟。首先介绍了LBM的基础理论,对Boltzmann方程进行了详细的推导,介绍了一些LBM的基本模型和边界处理方法。然后,通过对流体力学中三个典型实例的仿真模拟验证了LBM的可行性与准确性,期间引入了混合指标σ-来评价混合效果的好坏。最后将LBM应用到微混合器流体混合的模拟中,对简单T型微混合器和内肋型微混合器进行了数值模拟,得出了不同的影响因素对混合效果的影响曲线。其中,对于简单T型微混合器,有如下结论：入口速度越小,混合效果越好;混合通道宽度越小,混合效果越好,但混合指数的变化十分微小;碰撞系数越大,流体扩散越快,混合效果越好;粘度系数越大,混合效果越差。对于内肋型微混合器,有：流体的混合效果随着入口速度的减小呈现先变差后边好的趋势;碰撞系数对于高速条件下的混合几乎没有影响,对于低速条件下影响明显;内肋板的长度越大,流体的混合效果越好;周期长度越大,流体的混合效果越差,但混合指数的变化并不大。最后,本文对两种微混合器在不同入口速度条件下的混合性能进行了对比,内肋型微混合器要远远优于简单T型微混合器。