格子Boltzmann方法应用于声流效应及悬浮颗粒声波驱动规律研究

发布时间：2020-04-26 21:05

【摘要】：作为一种高效、清洁的驱动和控制技术,声波驱动微流体流动,在MEMS及生物芯片中有独特的优势和应用价值。声波驱动微流体流动主要依靠声波的非线性耗散及固壁的摩擦,产生的非定常时均流动——声流。声流过程快、边界层尺度小,研究较为困难,目前的研究多集中在对其累积行为的实验研究上,而声流形成的过程与机理研究相对较少。本文仿照计算气动声学(CAA)方法,对多松弛格式的格子Boltzmann方程进行了直接求解,计算了声场及声流流动,并结合浸润边界(IB)法针对声流效应以及悬浮颗粒声波驱动规律,开展了计算模拟,具体工作如下:1、通过经典算例对不同松弛格式以及曲面边界进行了验证和比较,发现多松弛格式能改善存在奇点计算域的稳定性,多块网格用于局部加密能提高数值精度,还提出具较高数值精度的有统一格式MGUO曲面边界。2、通过一维、二维声波衰减问题比较了不同无反射边界的特征与精度,定义了线性声波的临界幅值,提出了具有最佳无反射效果的新无反射边界MNEAL,并通过修正LODI极大的改善了原格式y轴速度的反射率。3、模拟了平板间驻波声流并分析了黏性与板间高度对内外声流的影响,发现这些因素对边界层内部声流的影响更为显著,且当2H/?_?(28)10时平板间仅存在内部声流。4、结合IB法先通过研究了驻波声流中单悬浮颗粒的运动规律,分析了不同特征位置释放以及内外声流对颗粒运动规律的影响,并发现颗粒与边界之间的狭窄空间会诱发高强度二次声流与外部声流相平衡,使得颗粒被边界层驻点捕获,最后还给出了颗粒从边界层驻点运动至中心驻点并被其捕获的初始速度。本文验证了使用格子Boltzmann方法进行声流问题研究的可行性,提出了可用于行波声流精确模拟的新无反射边界,还对驻波声流以及颗粒驱动问题进行了初步研究。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O35

【参考文献】

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本文编号：2641897