多驅(qū)動(dòng)對(duì)流傳熱問(wèn)題的耗散粒子動(dòng)力學(xué)研究.pdf

1、近年來(lái)，隨著新興技術(shù)的出現(xiàn)和高速發(fā)展，流體動(dòng)力學(xué)面臨復(fù)雜流體和復(fù)雜流動(dòng)兩大挑戰(zhàn)。在新技術(shù)背景下，復(fù)雜流體流動(dòng)可能是多物理場(chǎng)引起的，一種物理效應(yīng)、一種化學(xué)效應(yīng)甚至一種生物效應(yīng)都可能成為驅(qū)動(dòng)流體流動(dòng)的因素，多種驅(qū)動(dòng)力及其非線性耦合使得流動(dòng)問(wèn)題和與流動(dòng)伴隨的傳熱問(wèn)題呈現(xiàn)復(fù)雜性、多樣性和非線性，因而需要對(duì)流動(dòng)的微觀結(jié)構(gòu)和傳輸過(guò)程進(jìn)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(dòng)力學(xué)方法（energy-conserving dissip

2、ative particle dynamics,eDPD）對(duì)這類具有多種驅(qū)動(dòng)力的復(fù)雜流體流動(dòng)與傳熱問(wèn)題具有很大的潛力，這種新興的介觀方法應(yīng)用在傳熱領(lǐng)域不過(guò)十來(lái)年時(shí)間，而且發(fā)展相對(duì)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(dòng)力學(xué)方法研究了多種驅(qū)動(dòng)力耦合的流動(dòng)與傳熱現(xiàn)象。
　　首先，本文系統(tǒng)地闡述了eDPD方法應(yīng)用于流動(dòng)與傳熱現(xiàn)象模擬的理論基礎(chǔ)，利用動(dòng)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(dòng)量守恒定律和

3、能量守恒定律。此外，本文詳細(xì)地闡述了耗散粒子動(dòng)力學(xué)模擬的相關(guān)細(xì)節(jié)問(wèn)題，包括邊界處理、積分方法和參數(shù)選取問(wèn)題，首先提出一種可行性的方案建立了耗散粒子動(dòng)力學(xué)方法中介觀參數(shù)與宏觀輸運(yùn)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(dú)驅(qū)動(dòng)的庫(kù)艾特流動(dòng)和簡(jiǎn)單方腔內(nèi)的自然對(duì)流問(wèn)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(yīng)用中強(qiáng)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(duì)流問(wèn)題引起了學(xué)者的極大興趣。簡(jiǎn)單

4、方腔內(nèi)混合對(duì)流問(wèn)題前人做過(guò)詳細(xì)的研究，然而工程中考慮復(fù)雜形狀很有必要。本文將耗散粒子動(dòng)力學(xué)方法應(yīng)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(jiǎn)單流體的流動(dòng)與傳熱問(wèn)題。首先研究了自然對(duì)流和頂蓋驅(qū)動(dòng)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(jìn)行了比較，得到了比較一致的結(jié)果，驗(yàn)證了程序的正確性。接著在此基礎(chǔ)上研究了橫向剪切和縱向剪切引起的混合對(duì)流問(wèn)題。發(fā)現(xiàn)橫向剪切力引起的混合對(duì)流和縱向剪切力引起的混合在流動(dòng)與傳熱特征上具有較大的差異。
　　生物磁流體作為近年來(lái)比較熱門的復(fù)雜流體之一，引起了眾多學(xué)者的關(guān)注。在非等溫和非均勻磁場(chǎng)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(dòng)力學(xué)行為既不同于普通的鐵磁流體力學(xué)（ferro

6、hydrodynamics,FHD），又不同于一般的磁流體力學(xué)(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(duì)流問(wèn)題。研究了磁數(shù)、哈特曼數(shù)、瑞利數(shù)、普朗特?cái)?shù)對(duì)半環(huán)形區(qū)域內(nèi)溫度場(chǎng)和流場(chǎng)的影響，發(fā)現(xiàn)非均勻磁場(chǎng)下的熱磁對(duì)流呈現(xiàn)與純自然對(duì)流不同的特征。在外磁場(chǎng)下，左右兩側(cè)原來(lái)由于自然對(duì)流形成的兩個(gè)旋渦會(huì)分別分裂成兩個(gè)較小的旋渦，并且區(qū)域內(nèi)存在三個(gè)熱羽流，而純自然對(duì)流只出現(xiàn)一個(gè)熱羽流。