微通道内不互溶液-液两相微流模拟的SPH-FVM耦合算法研究

Multiphase microfluidic has a wide range of application, including in the field of chemical, energy, medicine and Biology. Comparing with the macroscopic multiphase fluid, viscous force and surface tension become dominant and intensely influences the fluid flow behavior of multiphase microfluidic, in which the movement and deformation of fluid interface are more complex. Numerical simulation is one of the important ways for the solution of this kind problem. According to the characteristics of immiscible liquid-liquid microfluidic flow in micro-channel and the requirement of fluid interface tracking, a coupled SPH-FVM method is developed in this project for numerical simulation of immiscible liquid-liquid microfluidic flow in micro-channel. The main contents of studying are: 1) Studying on the coupling SPH and FVM method for the adaptive tracking of flow interface and accurate calculating the flow field variables in the multiphase flow. 2) Improving the interface model and boundary treatment with coupled SPH-FVM method to study the deformation and movement of multiphase interface、the breakage of discrete phase etc. 3) Applying the SPH-FVM method to simulate the flow process of immiscible liquid-liquid microfluidic flow in different configurations of micro-channel.

多相微流体在化工、能源、医药及生物等领域具有广泛的应用前景，相对宏观多相流体，多相微流在微通道流动过程中粘性力和界面张力起主导作用，流体界面的运动变化更为复杂。数值模拟方法是研究此类问题的重要手段之一。项目根据微通道内不互溶液-液两相微流的流动特性及流动界面辨识精度需求，拟发展模拟微通道内不互溶液-液两相微流的SPH-FVM耦合方法。研究内容包括：1)研究多相流的SPH-FVM耦合算法，实现流动交界面的自适应跟踪，同时确保流场变量的计算具有较高数值精度；2)研究SPH-FVM耦合方法中多相微流界面及边界的处理方法，有效实现多相界面的复杂变形、离散相的破碎等过程；3）采用SPH-FVM耦合方法对不同构形的微通道内不互溶液-液两相微流的流动变化规律开展研究。

两相微流体广泛存在于化工、能源、生物和医药等相关领域，高效实现两相微流界面运动、溃变和融合的仿真分析对于两相微流相关工程应用的预测与调控设计具有重要的意义。项目围绕两相流动数值模拟方法研究前沿，以另辟蹊径的方式发展一种由光滑粒子法（SPH）和有限体积法（FVM）耦合的数值方法，通过SPH粒子对界面变形的自适应性实现两相流动复杂相界面的追踪与捕获，并基于空间网格由FVM方法对整体流场演变实现高效与稳定的计算。.围绕项目立项任务，具体完成的研究工作及获得的重要结果简述如下：. 1）基于SPH粒子和FVM网格之间信息的双向插值传递，构建了SPH-FVM耦合方法的理论框架和程序实施方法流程。通过典型的两相界面流动问题对实现的SPH-FVM耦合方法理论和计算程序进行了验证测试，结果表明，SPH-FVM耦合方法可有效再现两相界面的运动变形过程，避免了纯网格类方法对界面追踪的繁琐处理，克服了纯粒子法对整体流场计算稳定性和耗时性的局限性；. 2) 发展了SPH-FVM耦合算法中界面张力的计算处理技术。界面张力计算的精确性对两相微流界面运动仿真的稳定性和精度起着重要的主导作用。受VOF和Level-Set对界面张力计算的启发，项目发展了两种结合SPH-FVM耦合方法优点与特征的界面张力计算模型，有效提升了SPH-FVM耦合方法对两相流界面模拟的精度和稳定性；. 3）三维SPH-FVM耦合方法程序的开发及典型两相微流问题界面演变数值仿真分析。根据项目的算法理论研究实现了三维SPH-FVM耦合方法程序，以典型的两相微流运动为例，对算法的稳健性和有效性进行了验证，并分析了物理和数值参数的变化对两相界面演变特征参量的影响规律，充分展示了项目研究的SPH-FVM耦合算法和开发的程序在两相微流界面追踪与捕获中的有效性和优点。. 综上所述，项目研究进一步拓展了两相微流界面追踪与捕获模拟的理论方法，为两相微流的科学研究及工程应用分析提供了一种新的途径，实现的相关算法程序可为两相微流相关领域自主化软件的开发提供支撑。