[发明专利]一种预估与控制液滴悬浮与驻留的方法

权利要求书

1.一种预估与控制液滴悬浮与驻留的方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)将描述有限振幅的非线性波动方程通过有限差分方法离散，建立描述在不同介质中超声声波传递的模型；

(2)将描述流体分子运动的连续Boltzmann方程离散，引入MRT多松弛模型将碰撞算子线性化，并利用化学势模型和Peng Robinson状态方程在离散的控制方程中产生可以描述相分子间作用的外力项，建立描述多组分多相的数值模型；

(3)输入边界条件、初始条件，输入声源参数、液滴参数；

(4)执行多相流场的传播和松弛，捕捉相界面；

(5)执行有限振幅波的跨介质传播，计算声辐射力；

(6)重复步骤(4)和(5)直至到达设定的时长后停止计算，进行数据处理与分析；

(7)判断能否稳定悬浮，如果能，转步骤(8)，如果不能，返回步骤(3)；

(8)预估和控制液滴悬浮位置和悬浮形态。

2.如权利要求1所述的预估与控制液滴悬浮与驻留的方法，其特征在于采用有限振幅波的二阶近似非线性传播方程作为声场演化控制方程，其中包括声波在时间、空间上的演化项、耗散项和非线性项，即：

其中c₀为声速，ρ₀为平衡时的介质密度，p为压强，t为时间，γ为吸收系数，β为非线性系数，l为动能与势能之差，表示求偏导，为哈密顿算子。

3.如权利要求2所述的预估与控制液滴悬浮与驻留的方法，其特征在于采用时域有限差分方法将声场演化控制方程离散化，差分方式采用时间、空间交替网格配置，离散后得到差分格式如下：

其中，表示n时刻、(i，j)坐标格点上的压强，为类似速度的中间变量，Z为介质的声阻抗，系数m＝h/c₀δ_t，h为空间步长，δ_t为时间步长，a、τ为系数。

4.根据权利要求3所述的预估与控制液滴悬浮与驻留的方法，其特征在于PengRobinson状态方程表示为：

其中R为通用气体常数，T为温度，a₀，b₀为系数，ρ为密度，α(T)表示温度的函数。

5.根据权利要求1所述的预估与控制液滴悬浮与驻留的方法，其特征在于连续Boltzmann方程通过格子Boltzmann方法离散，获得流体运动控制方程：

f_α(r+e_αδ_t)-f_α(r，t)＝Ω(r，t)+δ_tF_α(r，t)

f_α表示粒子分布函数，r为位置矢量，δ_t为时间步长，e_α为离散速度方向单位矢量，Ω为碰撞算子，F_α为粒子所受总外力。

6.根据权利要求5所述的预估与控制液滴悬浮与驻留的方法，其特征在于使用MRT多松弛模型将碰撞算子Ω(r，t)线性化，获得更为稳定、精确且高效的差分模型，得到如下流体运动控制方程：

其中M表示转换矩阵，S表示松弛矩阵，f_α表示粒子分布函数，为粒子平衡分布函数。

7.根据权利要求1所述的预估与控制液滴悬浮与驻留的方法，其特征在于使用化学势模型描述相分子间的同质或异质作用力，流体质点的化学势由下式给出：

其中Φ为自由能函数，μ为化学势，κ为系数，ρ为密度，ψ为体自由能密度；

相分子间作用力作为外力项参与流体粒子分布函数的松弛，获得可以描述两相场的格子Boltzmann模型，相分子间作用力的大小由下式计算：

其中F_c(x)为x位置处的粒子所受到的分子间作用力，c₀为声速，为哈密顿算子。