颗粒界面和颗粒流体系统的格子玻尔兹曼模拟
颗粒流体系统是自然界中常见的复杂系统，无论是工业上的生产，还是气候的变化以及河流湖泊的运动等许多与生活息息相关的活动都与其密切相关。因此对颗粒流体系统的研究在发展高新技术，振兴传统工业等方面均有重要的影响。
颗粒流体间的相互作用本质上是由颗粒流体界面性质决定的。界面性质的不同会导致各种各样不同的界面现象。其中一种界面现象—超疏水现象在自然界中是—种很普遍的存在，例如荷叶效应，蚊蝇的翅膀，水稻的叶片等。超疏水材料由于其较大的接触角以及很小的滑移角使其在以防结冰，防水等为目的的工业应用上具有很高的参考价值。
本论文所采用的方法都是基于格子玻尔兹曼方法(LatticeBoltzmann Method，LBM)。首先我们提出了—种新的计算速度比较快的方法，并通过对鼓泡床的一些特性进行模拟研究，定性的验证了新方法的正确性。然后用新方法对宏观尺度下的颗粒流体系统中常见的流化床进行模拟，得到的数据与实验结果相一致，定量验证了方法的正确性。为考虑界面对流体性质的影响，我们用SC(Shan-Chen，SC)模型对介观尺度下的超疏水现象进行了模拟研究，验证了纳微结合对超疏水现象中接触角、Cassie-Wenzel态转变和液滴在疏水表面滑动的影响。另外我们对界面现象中常用的Cassie方程进行研究并对其成立的两个前提假设进行了验证。具体内容如下:
1宏观尺度下的颗粒流体系统模拟研究
(1)提出了一种计算流场的新方法。新方法有计算速度快，具有天然的并行性和易于实现大规模的模拟等优势，在颗粒流体系统的研究中具有良好的应用前景。本方法对于流场的求解采用考虑了孔隙率以及流固两相的滑移速度对流体流动影响的修正格子玻尔兹曼方法。颗粒运动的求解采用时驱硬球模型，流固之间的耦合采用EMMS(Energy-Minimization multi-scale，EMMS)曳力模型。根据新方法，对单孔射流鼓泡床的一些性质进行了研究。首先模拟了不同直径的颗粒以及不同的气速对形成气泡等效直径的影响;然后考察了不同气速下各个颗粒粒径与分离时间的关系，并对不同的床层高度以及宽度下的气泡形状进行了对比;最后模拟了空腔的诱导效应。以上所研究得到的结果均与以前得到的实验，模拟结果或者理论相一致，定性的验证了新方法的正确性。
(2)根据新方法，通过对单孔鼓泡床的模拟，得到不同气速下气泡的等效直径并很好的与经典经验公式得到的数据相吻合。接着对提升管进行了模拟，通过统计轴向孔隙率以及径向孔隙率并与实验数据进行比较，与两者吻合很好。以上结果定量的验证了新方法的可行性。
2介观尺度下超疏水现象的模拟研究
(1)利用格子玻尔兹曼方法中的SC模型对超疏水现象进行了模拟。在本论文中搭建了多个具有纳米结构以及微米结构相结合的多尺度疏水固体表面结构，对不同纳微结合疏水表面上液滴的接触角以及液滴的Cassie-Wenzel态的转变进行了模拟研究，并对液滴在不同结构的疏水表面的滑动的难易程度进行了模拟。结果表明纳微结合的确对超疏水现象的产生具有重要的影响。
(2)利用格子玻尔兹曼方法中的SC模型对经典Cassie方程的两个前提假设进行了模拟验证。Cassie方程的两个假设分别为水滴相对疏水表面的粗糙度足够大以及疏水表面的粗糙度分布均匀。与以往结论不同的是经过模拟研究统计发现只需要满足水滴足够大的前提，Cassie方程就适用。
格子玻尔兹曼方法;颗粒流体系统;流化床;超疏水模拟;Cassie方程;界面现象
北京化工大学
硕士
化学工程与技术
张现仁
2013
中文
TQ021.1
91
2013-12-31（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）