基于预测与控制的微化工器件跨尺度多组分流场研究

随着对微化工器件功能和性能等要求的提高，对其物理特性和工作机理的研究成为各国学者关注的热点。对于大多数微化工器件，其结构特征尺寸包含从宏观到微观的跨越，这使得其内部流场呈现出跨尺度流动特征；同时，流场中往往包含多种组分，各种组分粒子之间相互耦合影响，使流动过程更加复杂。针对微化工器件内部流场跨尺度多组分的流动特征，本课题将结合微观粒子动力学方法- - 直接蒙特卡洛方法（DSMC）和宏观粒子动力学方法- - 光滑粒子动力学方法（SPH），构造DSMC-SPH跨尺度多组分耦合算法，并将该算法应用于微化工器件内部跨尺度多组分复杂流场的计算，以诠释其流动特性和工作机理；根据微化工器件跨尺度多组分流场，建立微观量化测试实验平台，同时结合实验过程以及DSMC-SPH跨尺度多组分耦合算法，构建基于流动预测与控制的跨尺度多组分流场耦合设计方法，为新型微化工器件的设计提供理论及技术支撑。

本项目基于跨尺度分区耦合理论，建立基于DSMC方法和SPH方法耦合的跨尺度流动计算模型；并通过对边界条件处理方法的改进、跨尺度流场计算区域的划分、多组分流场分子碰撞影响过程、算法界面处的耦合迭代方式、界面信息的交换过程以及耦合算法的收敛判断条件等关键问题的研究，成功构造了DSMC-SPH 跨尺度多组分耦合算法，并通过实验和文献比较对耦合算法的有效性进行了验证；将该算法应用于Knudsen泵内部跨尺度流场的计算，考察了不同操作压力条件对Knudsen泵工作特性的影响因素，并揭示Knudsen泵跨尺度流动机理；同时，基于该算法进行了微混合器流场研究，考察了微混合器通道中隔板厚度对混合效果的影响规律。