基于弱可压缩方程的声流效应数值研究

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微流体驱动技术主要有:压力驱动、电渗驱动、光摄驱动、热气泡驱动、表面张力驱动等,而超声波微流体驱动具有高效清洁、易于集成的特点而具有独特的优势和发展前景。超声波对微流体的驱动,主要是流体中连续并且振幅弱小的声波动,通过非线性的声流效应,使声场能量转化为流体的宏观平均运动,从而实现了用超声波驱动流体。目前,超声波驱动微流体的研究多在实验研究,数值研究较少。  本文采用了一种适用于水的可压缩流动控制方程,即非定常的弱可压缩流体控制方程,在求解技术上采用了一种类似于有限体积法的时空守恒元/解元算法,这种算法目前已被大量用于基于气体的直接气动声学模拟研究,并得到了很好的求解精度。在此基础上,本文主要完成了以下几个方面的工作:  1、通过对当前的弱可压缩方程及水的状态方程分析,得到了适用于研究水的气动声学问题的控制方程,再结合守恒元/解元算法,整理出了研究此类问题的计算模型及边界处理方法;  2、通过对平板层流边界层、环形库塔流及方腔驱动流的直接模拟,在小马赫数(近似不可压缩)条件下,分别对比了本方法与理论解、其他经典解的结果,对比结果表明,本研究方法能够准确的计算流体中的粘性问题;  3、通过模拟线声源、点声源、连续声波在粘性流体中的运动及耗散,验证了本方法可以准确的模拟出水中的声波现象,本研究方法具有低色散及低耗散特性;  4、模拟了一种经典的驻波声流问题,结果与其它研究者的理论结果一致。再结合上述2,3,说明本研究方法能够用于直接模拟水的声流问题;  5、通过模拟连续声波与二维管道、带收缩段二维管道中声流问题的研究,得到了声流效应与声波频率、声波振幅的一些规律。
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