基于介尺度条件下分子迁移的微扰理论与随机模拟耦合机理研究

结题报告

项目介绍

AI项目解读

基本信息

批准号：
21606164
项目类别：
青年科学基金项目
资助金额：
20.0万
负责人：
朱国瑞
依托单位：
天津大学
学科分类：
B0804.分离工程
结题年份：
2019
批准年份：
2016
项目状态：
已结题
起止时间：
2017-01-01 至2019-12-31

项目参与者：
刘丽艳；李超杰；郝苒杏；张志豪；
关键词：
布朗动力随机旋转动力微型过滤分子迁移介尺度

项目摘要

The flow field in micro filtration screening devices can be classified into the mesoscopic flow scale. The research points out the rule of the molecule migration and stochastic simulations in the mesoscopic flow field. In the aspect of molecule migration theory, based on the two fluid theory and dilute fluid theory, we use the perturbation method and Taylor expansion to get the mass transfor eqution, mometum eqution and constitutive eqution. And then we get the stress tensor and concentration results. Besides, the effect of hydrodynamic interaction will be considered. In the stochastic simulations part, Brownian Dynamic Simulation Method and Stochastic Rotation Simulation Method will be used to get the simulation results about stress tensor and concentration to check the agreement with analytical results. Finally, the above methods will be used in the typical flow in micro filtration screening devices to set up the basic migration theroy for working principle and process design.

微型过滤筛分装置内部流场属于介尺度研究范围，本课题将开展介尺度流场中分子迁移的微扰理论与随机模拟机理研究。在分子迁移微扰理论方面，基于两相流模型和稀溶液模型，构建分子迁移微扰理论，即以梯度数展开的动量方程、维森堡数展开的本构方程以及皮勒数展开的质量传递方程为基础，利用泰勒公式和微扰方法对分子在介尺度流场中的流动进行数学演绎分析，得到分子的应力张量和浓度分布的理论计算方法，在此基础上研究流体动力相互作用对分子迁移的影响。在随机模拟方面，用布朗动力模拟方法和随机旋转动力模拟方法计算相应条件下的应力张量和浓度分布，验证分子迁移计算方法的正确性和适用范围。最后将以上方法应用到典型微型过滤筛分装置流场中，为微型过滤筛分装置的工作原理及工艺设计做理论基础。

结项摘要

本课题以介尺度流场中分子迁移为研究对象，通过微扰理论与随机模拟开展机理研究。在分子迁移微扰理论方面，基于两相流模型和稀溶液模型，构建分子迁移微扰理论，在此基础上研究流体动力相互作用对分子迁移的影响。在随机模拟方面，用布朗动力模拟方法和随机旋转动力模拟方法计算相应条件下的应力张量和浓度分布，验证分子迁移计算方法的正确性和适用范围。最后将以上方法应用到典型微型过滤筛分装置流场中，为微型过滤筛分装置的工作原理及工艺设计做理论基础。.（1）研究应力梯度和流体动力相互作用推动下的分子迁移理论方法.研究介尺度流场中分子在应力梯度的推动下产生的迁移，应用泰勒公式和微扰理论两种数学计算方法，以两相流理论和稀溶液理论为研究基础，利用动量方程、本构方程以及质量传递方程推导出分子迁移的流动通量、应力张量以及浓度场计算方法，构建分子迁移微扰理论。在此基础上通过Graham理论研究流体动力相互作用的影响，完善分子迁移微扰理论。.（2）探究不同分子模拟方法并验证分子迁移微扰理论的适用性.采用介尺度分子模拟方法——布朗动力模拟方法，计算介尺度流场中由于应力梯度产生的应力张量与浓度分布，并对比解析解和模拟解，验证分子迁移微扰理论的正确性。然后采用随机旋转动力模拟方法，该方法能够全面考察流体动力相互作用对介尺度流场中分子迁移的影响，然后将该模拟结果与分子迁移微扰理论计算结果进行对比，验证其准确性。.（3）揭示典型介尺度流场中分子迁移规律.在前期研究的基础上，研究微流体装置内典型的介尺度流场，如泰勒涡、电渗流以及变径重力流场，分析以上流场的分子迁移规律。此外拓展分子链长度(Rs)，流体可压缩性(马赫数Ma)，对流与传递(皮勒数Pe)等在以上流场中对分子迁移的影响。.此外，本项目还针对的微米级颗粒在介尺度流道中的筛分进行了拓展研究。对介尺度下颗粒流动机理及受力情况进行了研究，研究结果为介观尺度下颗粒的迁移提理论和实验依据，对微介流场内颗粒流动规律及粒度分级的研究具有重要的意义。