多驅(qū)動對流傳熱問題的耗散粒子動力學研究.pdf

1、近年來，隨著新興技術的出現(xiàn)和高速發(fā)展，流體動力學面臨復雜流體和復雜流動兩大挑戰(zhàn)。在新技術背景下，復雜流體流動可能是多物理場引起的，一種物理效應、一種化學效應甚至一種生物效應都可能成為驅(qū)動流體流動的因素，多種驅(qū)動力及其非線性耦合使得流動問題和與流動伴隨的傳熱問題呈現(xiàn)復雜性、多樣性和非線性，因而需要對流動的微觀結(jié)構(gòu)和傳輸過程進行深入分析。作為一種拉格朗日型粒子法，能量守恒的耗散粒子動力學方法（energy-conserving dissip

2、ative particle dynamics,eDPD）對這類具有多種驅(qū)動力的復雜流體流動與傳熱問題具有很大的潛力，這種新興的介觀方法應用在傳熱領域不過十來年時間，而且發(fā)展相對緩慢，可謂方興未艾，還有很大的開拓空間。因而本文采用耗散粒子動力學方法研究了多種驅(qū)動力耦合的流動與傳熱現(xiàn)象。
　　首先，本文系統(tǒng)地闡述了eDPD方法應用于流動與傳熱現(xiàn)象模擬的理論基礎，利用動理論方法得到了eDPD流體系統(tǒng)所滿足的質(zhì)量守恒定律、動量守恒定律和

3、能量守恒定律。此外，本文詳細地闡述了耗散粒子動力學模擬的相關細節(jié)問題，包括邊界處理、積分方法和參數(shù)選取問題，首先提出一種可行性的方案建立了耗散粒子動力學方法中介觀參數(shù)與宏觀輸運系數(shù)之間的聯(lián)系。根據(jù)方案，模擬了剪切力、浮升力單獨驅(qū)動的庫艾特流動和簡單方腔內(nèi)的自然對流問題，得到的結(jié)果分別與分析解和有限體積法模擬的結(jié)果吻合很好。
　　剪切力是工程應用中強化傳熱的重要措施，因而這種剪切力與浮升力引起的混合對流問題引起了學者的極大興趣。簡單

4、方腔內(nèi)混合對流問題前人做過詳細的研究，然而工程中考慮復雜形狀很有必要。本文將耗散粒子動力學方法應用于內(nèi)置橢圓熱源的等溫封閉方腔內(nèi)的、剪切力與浮升力引起的、簡單流體的流動與傳熱問題。首先研究了自然對流和頂蓋驅(qū)動流，將模擬得到的結(jié)果與其他方法如有限體積法（finite volume method,FVM）、格子玻爾茲曼方法(lattice Boltzmann method,LBM)、微分求積法(differential quadrature

5、 method,DQM)等方法進行了比較，得到了比較一致的結(jié)果，驗證了程序的正確性。接著在此基礎上研究了橫向剪切和縱向剪切引起的混合對流問題。發(fā)現(xiàn)橫向剪切力引起的混合對流和縱向剪切力引起的混合在流動與傳熱特征上具有較大的差異。
　　生物磁流體作為近年來比較熱門的復雜流體之一，引起了眾多學者的關注。在非等溫和非均勻磁場作用下，生物磁流體受到開爾文力和洛倫茨力以及浮升力三者的共同影響，其動力學行為既不同于普通的鐵磁流體力學（ferro

6、hydrodynamics,FHD），又不同于一般的磁流體力學(magnetohydrodynmics,MHD)。本文首次將DPD方法用于研究半環(huán)形區(qū)域內(nèi)的生物磁流體熱磁對流問題。研究了磁數(shù)、哈特曼數(shù)、瑞利數(shù)、普朗特數(shù)對半環(huán)形區(qū)域內(nèi)溫度場和流場的影響，發(fā)現(xiàn)非均勻磁場下的熱磁對流呈現(xiàn)與純自然對流不同的特征。在外磁場下，左右兩側(cè)原來由于自然對流形成的兩個旋渦會分別分裂成兩個較小的旋渦，并且區(qū)域內(nèi)存在三個熱羽流，而純自然對流只出現(xiàn)一個熱羽流。