基于格子Boltzmann方法的声致悬浮液滴动力学研究

Phenomenon of coustic levitated droplet dynamics and its shape oscillation in an acoustic field attract many attentions in recent years. Both its underlying physics, like the acoustic physics, free surface instabilities, multidisciplinary coupling effects, and its potential applications on targeted drug release in human body, ultrasonic levitation of liquids, trigger rapidly growing research in this field. Based on our current research fundamentals, in this project, we will focus on the numerical studies on the phenomenon of shape oscillations of droplet in acoustic waves, mainly, by lattice Boltzmann methods. As well, necessary potential-flow based theoretical analysis and fundamental experiments will be implemented and comparied. Through which, the mechanisms of acoustic levitation and sonic excitation on targets - including the effects of radiation pressure, acoustic streaming and the positioning stability - and the coupling physics among viscosity, inertia and interfacial dynamics, will be explored. For the lattice Boltzmann method, the acoustic model in multiphase will be implemented. And it is anticipated that the relative models will be improved according to simulated results. Besides the relative potential theory exploring and phenomenological arametric study, this work is expected to supply abundant data and further insight of the phenomenon. Meanwhile, to the fast developing lattice Boltzmann method, this work will also be regarded as an example for its feasibility, reliability on acoustics and interfacial kinetics.

研究"液滴的声致悬浮"及其在声悬浮状态下的"星形本征振荡"现象，涵盖流体动力、自由面稳定性等理论问题，对声-流耦合等机理的探索具有重要学术价值；认识这些现象同时对于人体内药物受控释放、无容器材料制备等技术发展具有重要支撑作用。格子Boltzmann方法（LBM）在声学等多物理场流动模拟方面具有天然优势。本研究采用LBM、辅以机理性实验和势流理论分析等手段，对液滴声致悬浮及其星形振荡开展研究；揭示其中的力学机理，包括：声辐射压力/声致冲流与平衡/运动自由面耦合效应、跨自由面声传播影响、自由面振动模态转变及破碎，并考虑自由面及其运动对液滴定位稳定性的影响，建立相应的物理模型。本课题发展的LBM-自由面和声学数值模型，是对自由面振荡势流理论研究和唯像参数化（parametric）方法研究的一个重要补充；其成果也将进一步拓展日趋成熟的格子Boltzmann方法在声学、多相流研究领域的应用。

在本项目研究期内，项目围绕超声悬浮以及自由面动力学、格子Boltzmann方法（Lattice Boltzmann Method, LBM）在声学领域的实质性应用开展了研究。探讨了超声悬浮机理及粘性效应、外激励条件下的液滴动力学机理，并在上述研究机理上提出了通过控制被悬浮物体表面形态实现悬浮物体旋转的思想。认识这些现象对于药物受控释放、无容器材料制备等技术发展具有支撑作用。本研究促使我们对声-自由面及声致冲流效应有了进一步的认识，认为其可以在微液滴精细控制、航行器新型推进机制和航行器运行品质控制等领域有潜在应用价值。通过数值模拟及相关机理性实验等研究，我们获得了如下认识：A、格子Boltzmann方法具有优越的数值特性（数值耗散和色散特性），并且可以同时捕捉到流动及其与声现象的耦合。此外声传播现象中的二阶效应亦可在对代码不做变动的情况下获得，从而满足了结构体与液滴声致悬浮机理研究的需求。耦合多相流模型条件下的LBM可以精确捕捉液滴动力学以及移动接触线运动，支持了相关机理研究。B、液滴对于外激励的响应会展现出新奇现象，其基本原理与粘性效应、自由面边界条件以及表面波发展有密切关系，这是一个多学科耦合问题，本研究揭示了外激励条件下，液滴沿斜壁面爬升的力学机理。另外对于复杂固壁表面移动接触线及液滴铺展研究表明，粘性效应、接触线锚定效应对相关现象起到了微妙的作用，本研究期针对相关现象建立了物理模型、描述了其力学机理。C、粘性效应对于声悬浮物体通过声致冲流（二阶效应）体现。针对特殊设计的几何体外形影响的研究，本项目期内率先实现了在单激励极条件下物体旋转控制（物体转速高达300rad/sec）。实验表明，超声驻波场提供悬浮力（抵抗重力）的同时，可以激励出声致冲流，声致冲流在物体尖锐角处汇聚形成向外的射流，从而对物体产生反作用力。合理的利用这种反作用力可以实现对物体运动姿态的进一步控制。本研究工作极大的拓展了后续基础和应用研究领域。