基于SPH和DSMC的多尺度耦合算法的研究及应用

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为了能连续、高效地提取抗新型突发性病毒和增强人体免疫力的生化制品,需要开发一种结合凝胶色谱分离特点和微流控分离技术相结合的新型微分离器件。在这类微分离器件中,被分离流体需要完成入口进样、微通道分离、再到出口取样等的通道流动过程,在整个流动过程中会经历从宏观连续流动—微观稀薄流动—宏观连续流动的跨尺度流动。因此,其复杂的流道分离特性研究是此类新型分离器件设计的关键。随着并行计算技术的飞速发展,数值模拟方法越来越多地被用于解决跨尺度问题。针对此类流动过程中的跨尺度问题,若单一采用基于连续假设的方法,不能凑效,而采用单一的微观流动方法,计算量又十分巨大。本文的研究是发展一种将连续流动算法和稀薄流动算法相结合的跨尺度耦合方法,尝试了将适用于连续流动的SPH方法和基于粒子模型的DSMC方法相耦合,以实现对以上新型分离器件中的跨尺度通道流动的分析计算。首先,本文根据分离装置中通道流动的出入口边界条件的特点,提出了基于缓冲区的SPH入口流动边界条件和基于单元格压力线性假设的DSMC压力边界实现方法。采用自行编写的SPH计算程序和改进的DSMC计算程序对二维通道流动模型分别进行了计算分析,论证了改进后两种方法各自的计算有效性。其次,对以前研究中提出的耦合方法中存在的,物理参数的匹配、交界面处的连接方式及数据传递和耦合时间步长的确定等问题进行了完善,给出了这些技术的改进要点、解决方法和程序中的实现技巧。在此基础上,通过大量的编程改进和运行调试,尝试将两种方法的计算程序结合起来实现了二维通道流动模型的耦合计算,并将计算结果和单独采用DSMC计算的结果进行了比较。结果显示两者有较好的一致性,表明了耦合方法及程序的正确性和有效性,也验证了耦合理论的可行性。最后,探讨了SPH方法和DSMC方法中各自的参数设置,对耦合算法的计算效率和计算精度的影响,并提出了相应有效的解决办法,这为以后耦合算法的进一步研究提供了改进思路和方向。
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