[发明专利]一种预估与控制液滴悬浮与驻留的方法

说明书

本发明公开一种预估与控制液滴悬浮与驻留的方法，通过将超声波非线性声场与两相流场耦合，利用有限差分方法及格子玻尔兹曼方法将控制方程离散化并，根据输入的超声波声源参数、液滴参数及体积大小计算得到声场与液滴材料的相互影响规律，获得液滴材料的悬浮位置与形态信息。相比于传统的简化估算方法和实验尝试方法，本发明利用计算机模拟方法可以以更低成本获得更准确的液体材料在超声声场中的悬浮位置和悬浮形态，且该方法结合了两相流和非线性声场计算模型，在模拟的过程中可以预测液滴在声场中的密度分布变化、形态变化细节，而这些细节通过实验手段是难以观察到的。

技术领域

本发明涉及一种预估与控制液滴悬浮与驻留的方法，属于数值计算领域。

背景技术

材料在超声波形成的驻波声场中受到由非线性声波振动而产生的声辐射力可以平衡重力，在地面实现人造微重力“空间环境”和材料的无容器处理。由于声传播引起的脉动振动对液滴内部的扰动，且没有重力引起的自然对流影响，在声悬浮环境下快速凝固所获得的材料更易获得均匀的凝固组织，大幅改善材料的性能。同时超声悬浮实现的微重力环境在研究材料在亚稳态下的相变、微观组织演变和热物理性质方面都有广泛的应用。然而，在已有超声悬浮观察设备的情况下，能否将特定的液体材料长时间稳定悬浮，能否预测和控制材料悬浮稳定的精确位置及稳定后的液体具体形态成为了亟待解决的问题。

由于从理论上难以分析非线性声场及气液两相场的相互作用规律，以计算机为工具的数值模拟技术成为可以解决复杂偏微分方程、非稳态物理现象的有效方法。对于非线性声场问题，常见的数值方法包括有限积分方法、有限元方法、边界元方法等，其中时域有限差分方法因其简单有效、网格规则、可计算时域任意波形等特点而得到了广泛应用。

研究液滴材料在空气中的动力学行为需引入流体流动模型，经典的流体模型包括以分子动力学为基础的微观模型、以流体质点为研究对象的介观模型和从解N-S方程出发的宏观模型，其中介观方法中格子Boltzmann方法以连续Boltzmann方程为基础，将方程在时间、空间和速度上离散化得到格子Boltzmann控制方程，并通过BGK、MRT等松弛模型可以将复杂的碰撞算子线性化，得到易于求解、高效稳定的数值方法，其中MRT的稳定性和精确性较BGK更高。在流体流动模型的基础上，增加同质与异质分子间的作用力，可获得多相多组分流动模型，常见的格子Boltzmann两相流模型包括颜色梯度模型、自由能模型、Shan-Chen模型等，其中化学势模型以热力学为基础，天然地满足热力学相容性和伽利略不变性，描述由密度和自由能梯度引起的分子热运动趋势，更符合多相流的动力学和热力学规律，因此可以有效地描述两相流现象。

发明内容

技术问题：本发明是基于声悬浮实验中无法准确预估和控制液体材料悬浮位置和形态的问题而提出的解决方案，通过将非线性声传播与两相流场耦合而设计出一种计算效率、数值稳定性较高的预估与控制方法。

技术方案：为实现本发明目的，本发明提供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，进行数据后处理；

(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)；