介观尺度下热对流对颗粒两相流动影响的eDPD研究

Multiphase flows in meso-scale channels with thermal convection involve complicated dynamic behaviors. Grid-based numerical methods within the frame of continuum mechanics are usually difficult to capture inherent flow physics such as boundary slip and thermal disturbance. They also may be not valid to problems with multiple scale physics. In contrast, molecular dynamics (MD) is practical only on extremely small time scales (nanoseconds) and length scales (nanometers) even if the most advanced high-performance computers are used. The purpose of this project is to simulate the fluid-solid systems with the effect of thermal convection at mesoscopic scale utilizing dissipative particle dynamics with energy conservation (eDPD). More specifically, four fundamental problems relating to eDPD will be investigated: the fluid-solid interface treatment algorithms, the dynamic behaviour of eDPD fluid, the mapping of eDPD units to physical units, the constitutive relation and boundary conditons. The obtained numerical results will be compared with experimental observations from particle-imaging velocimetry (PIV) and ture direct numerical simulation (TDNS). Based on the above procedure, the detailed mechanisms of fluid-solid system with the effect of thermal convection will be explored. Thereafter the relationship between the characteristic numbers and the flow field will be investigated. The proposal, by supplying with detailed mesoscopic eDPD simulation information, aims at understanding the fundamentals in terms of biochemical engineering, science and technology at mesoscale relating to convective heat transfer research and development of MEMS devices.

有热对流影响的介观尺度颗粒两相流动涉及复杂的动力学特性。基于连续力学的网格方法，通常很难捕捉边界滑移、热扰动等的影响，也未必适用于含多尺度特性的各种问题，而分子动力学时间及空间尺度通常局限于纳秒和纳米级。本项目拟建立用以模拟介观尺度下有热对流影响的颗粒两相流动的能量守恒耗散粒子动力学(eDPD)方法和相关理论体系。为此在固液界面模型、eDPD动力学参数、eDPD参数与物理参数映射、eDPD数学模型等几个方面进行研究，填补以往对此类问题研究的不足。通过粒子图像测速（PIV）实验、直接数值模拟(TDNS)对方法检验和验证。在此基础上，揭示微通道内该复杂多相流流场的结构特征和其流动、传热的物理规律，总结一些重要的无量纲特征数与流场特征变化之间的规律，从中得到新的信息并从理论上进行阐述。本项目拟为微尺度传热机理研究、微流体器件开发等生化工程和微纳米科技中的传热问题提供详细的介观尺度数值模拟信息。

介观尺度下固体颗粒运动与传热耦合在一起的两相流研究是生化工程和微纳米科技中强化传热、微流体器件开发、高分子及蛋白质悬浮传输分析以及药物运输等研究领域的一个重要环节，涉及特殊的传热机理。基于连续力学的网格方法，通常很难捕捉边界滑移、热扰动等的影响，也未必适用于含多尺度特征的各种问题，而分子动力学时间及空间尺度通常局限于纳秒和纳米级。本项目拓展了耗散粒子动力学（DPD）这种介观尺度方法和相关理论体系，并应用于含热对流影响的介观尺度颗粒两相流动领域。. 包括提出了一种新边界处理方法，采用随机分布的粒子作为边界粒子，方便地表征复杂流动区域，设置流动反弹层，确保流动DPD粒子不穿透固体壁面。模拟了复杂多孔介质流动，结果和有限容积方法（FVM）进行了对比，验证了边界方法的可行性。在此基础上冻结DPD粒子建立了颗粒模型。为考虑热对流的影响，引入内能项构建eDPD方法，并对导热、自然对流和强迫对流算例进行了模拟，与经典计算和实验结果进行了对比，验证了eDPD方法的准确性和可靠性。分析了eDPD方法中的参数与实际物理参数间的映射关系。为使eDPD方法能够准确模拟复杂流体动力学问题，通过推导的eDPD系统动力学参数表达式，对eDPD动力学参数，如施密特数、动力粘度进行了改进，新的施密特数比传统eDPD方法中的值提高了10倍。建立了DPD等温颗粒沉降的控制方程及数值方法，对流体绕流球体的阻力系数、等温颗粒沉降进行了模拟，计算结果与经典计算结果以及项目负责人发展的直接数值模拟方法进行了对比分析。搭建了颗粒沉降的可视化粒子图像测速（PIV）实验平台，进行了颗粒沉降的PIV实验研究，并将DPD模拟与实验进行了对比。最后对热对流影响的颗粒沉降进行了eDPD模拟，计算了三种不同温度的固体颗粒沉降过程，分析了沉降机理和规律。本项目为生化工程和微纳米科技中介观尺度传热问题研究提供了一种新方法。