基于Fluent软件的粗糙微通道内部流场仿真分析方法技术

本发明专利技术公开了一种基于Fluent软件的粗糙微通道内部流场仿真方法，包含以下步骤：根据需求选择表面粗糙度模型，利用Matlab软件计算微通道表面的粗糙度高度；利用APDL语言在Ansys中建立微通道的几何模型；在Gambit软件中划分高质量的六面体结构网格；在Fluent软件中设置边界条件，其中，对于液体流动，在壁面处设置无滑移边界条件，对于气体流动，利用用户自定义函数设置滑移边界条件；采用离散格式和数值算法，计算通道内的流场参数；对结果进行后处理。本发明专利技术有效降低了建模工作量；此外，通过设置合适的用户自定义函数，既能够处理液体流动，也能够处理稀薄气体流动。

Fluent-based simulation analysis method of internal flow field in rough microchannel

The invention discloses an internal flow field simulation method of rough microchannel based on Fluent software, which includes the following steps: selecting surface roughness model according to demand, calculating surface roughness height of microchannel by using MATLAB software; establishing geometric model of microchannel in Ansys by using APDL language; dividing high quality hexahedron structure mesh in Gambit software; and dividing high quality hexahedron structure mesh in Fluent software. The boundary conditions are set. For liquid flow, the non-slip boundary conditions are set at the wall. For gas flow, the user-defined function is used to set the slip boundary conditions. The discrete format and numerical algorithm are used to calculate the flow field parameters in the channel. The results are post-processed. The invention effectively reduces the workload of modeling; moreover, by setting appropriate user-defined functions, it can handle both liquid flow and rarefied gas flow.

【技术实现步骤摘要】
基于Fluent软件的粗糙微通道内部流场仿真分析方法
本专利技术涉及的是一种仿真分析技术，具体是一种基于Fluent软件的粗糙微通道内部流场仿真分析方法。
技术介绍
近几十年来，随着微机电系统的蓬勃发展，出现了大量的微流控器件，在化学分析、材料合成、信息处理等领域有重要应用。微通道作为一种典型的微流控器件，在实际中有着诸多应用，例如提取生物样本、冷却集成电路、检测大气污染物等。微通道的性能与微通道内流体的流动特性密切相关，因此，研究流体流动特性对微通道的设计和应用具有重要意义。与宏观通道存在显著差异。第一点，任何加工工艺都会产生加工误差，而加工误差会导致表面粗糙度的产生，表面粗糙度的平均高度通常在nm或μm量级，宏观通道的特征尺寸通常远大于表面粗糙度平均高度，因此粗糙度的影响可以忽略，而对于微通道，由于其特征尺寸很小，通常需要考虑表面粗糙度的影响。第二点，宏观流体适用于连续流体假设，而对于微通道内的流体，当其分子平均自由程不再远小于通道特征尺寸时，流体表现出稀薄效应，流-固边界不再满足无滑移条件，需要考虑边界的滑移速度。液体分子之间结合力大，平均自由程很小，不会在微通道内表现出稀薄效应；而气体分子的平均自由程较大，可以在微通道中表现出稀薄效应。因此，研究微通道内流体流动，需要考虑通道表面粗糙度，并且对于气体流动，通常还需要考虑稀薄效应。在过去的二十年里，研究人员采用理论分析、实验测试、流体仿真的手段研究了微通道内的流体流动特性。其中，理论分析方法通过求解修正的Navier-Stokes方程分析微通道内的流动参数，对揭示微流动机理有重要的理论意义，但是由于Navier-Stokes方程的复杂性，只能得到有限的解析解，难以处理复杂的几何形状和边界条件。实验测试方法能够提供真实的微流动数据，对于验证理论分析和流体仿真结果具有重要意义，但是实验测试周期较长、成本较高，并且难以获得速度场、温度场等流场参数。流体仿真方法与理论分析方法相比，能够处理复杂几何形状、复杂边界条件，适用范围更广；与实验测试方法相比，流体仿真方法周期短、成本低，能够分析不同表面形貌下微通道内的流体流动，并且能够获得详细的流场参数。因此，流体仿真方法受到了越来越多的关注。一个典型的流体仿真通常包括建立几何模型、划分网格、设置边界条件、计算求解、后处理等五个部分。在微通道的流体仿真过程中，如何建立粗糙微通道的几何模型并划分合适的网格，以及如何设置滑移边界条件，是所需要解决的两个问题。
技术实现思路
针对以上问题，本专利技术提供一种基于Fluent软件的粗糙微通道内部流场仿真分析方法。结合Matlab软件和AnsysAPDL软件建立粗糙平微通道的几何模型，在Gambit软件中划分高质量的六面体结构网格，在Fluent软件中设置边界条件，其中，对于液体流动，在壁面处设置无滑移边界条件，对于气体流动，利用用户自定义函数设置滑移边界条件，最后进行求解计算，得到粗糙微通道内流场参数的分布情况，为微通道的设计和应用提供理论指导。本专利技术一种基于Fluent软件的粗糙微通道内部流场仿真方法，包含以下步骤：步骤一：根据需求选择表面粗糙度模型，利用Matlab软件计算微通道表面的粗糙度高度；步骤二：利用APDL语言在Ansys中建立微通道的几何模型；步骤三：在Gambit软件中划分高质量的六面体结构网格；步骤四：在Fluent软件中设置边界条件，其中，对于液体流动，在壁面处设置无滑移边界条件，对于气体流动，利用用户自定义函数设置滑移边界条件；步骤五：采用离散格式和数值算法，计算通道内的流场参数；步骤六：对结果进行后处理。本专利技术提出的所述基于Fluent软件的粗糙微通道内部流场仿真方法中，在步骤一中可以根据微通道的实际表面选择合适的粗糙度模型，包括：适合微通道的表面粗糙度为周期分布的正弦波模型、方波模型或锯齿波模型；适合表面粗糙度满足高斯分布的高斯分布模型；及适合表面粗糙度具有分形特性的分形几何模型。本专利技术提出的所述基于Fluent软件的粗糙微通道内部流场仿真方法中，在步骤二中，所述利用APDL语言在Ansys中建立微通道的几何模型包括：根据粗糙度数据生成上下两个粗糙表面的离散点；每四个相邻的离散点形成一个小的Coons表面，上下粗糙表面对应的Coons表面可以形成一个体单元，大量的体单元组成了粗糙微通道的流域。本专利技术提出的所述基于Fluent软件的粗糙微通道内部流场仿真方法中，在步骤三中，所述在Gambit软件中划分高质量的六面体结构网格包括：将粗糙微通道的几何模型导入Gambit软件，执行布尔操作将所有的体单元合并成一个整体。设置合适的网格密度，采用Map方法划分六面体结构网格，并输出msh格式的网格。本专利技术提出的所述基于Fluent软件的粗糙微通道内部流场仿真方法中，在步骤四中，对于液体流动设置无滑移边界条件，壁面速度uw＝0；对于气体流动，根据Maxwell一阶速度滑移公式编写用户自定义函数计算壁面处的滑移速度，以上公式中，Us是边界滑移速度，σt是切向动量适应系数，λ是气体分子平均自由程，是气体速度在壁面处的法向梯度，利用Fluent的编译功能将用户自定义函数加载进入软件，在壁面的边界条件设置中，选择用户自定义函数提供的边界速度。本专利技术提出的所述基于Fluent软件的粗糙微通道内部流场仿真方法中，所述对结果进行后处理包括：将计算结果导入Tecplot软件进行后处理。与现有技术相比，本专利技术的有益效果：本专利技术采用Matlab、AnsysAPDL以及Gambit软件对粗糙微通道进行前处理，不仅能够有效建立不同表面形貌下微通道的网格模型，而且利用编程语言进行自动化建模，有效降低了建模工作量；此外，通过设置合适的用户自定义函数，既能够处理液体流动，也能够处理稀薄气体流动。附图说明图1为本专利技术提供的一种基于Fluent软件的粗糙微通道内部流场仿真分析方法流程图；图2为利用APDL语言建立的粗糙微通道几何模型；图3为采用Gambit软件划分的粗糙微通道六面体结构网格；图4为水在粗糙微通道中流动时速度的整体分布情况；图5为水在粗糙微通道内流动时中心截面处的速度分布。具体实施方式下面将结合示意图对本专利技术提出的基于Fluent软件的粗糙微通道内部流场仿真方法进行更详细的描述，其中表示了本专利技术的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本专利技术，而仍然实现本专利技术的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本专利技术的限制。本实施例分析的微通道尺寸为长50μm、宽12μm、高5μm，表面粗糙度的均方根高度为0.25μm，建立该通道的几何模型并划分网格，分别仿真通道内液体和气体的流场。如图1所示，本专利技术提供的一种基于Fluent软件的粗糙微通道内部流场仿真分析方法包括按顺序进行的下列步骤：步骤S1：根据实际需要选择合适的粗糙度模型，在Matlab中计算微通道的表面粗糙度高度。常用的粗糙度模型有正弦模型、三角波模型、高斯分布模型、分形模型等。在本实施例中，根据分形几何理论计算粗糙度高度，高度值由下式给出：其中，L0是样本长度，G是与频率无关的常量，D(2<D<3)是表面的分形维数，γ是尺度参数，M是峰的数量，n是频率指标，nma本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于Fluent软件的粗糙微通道内部流场仿真方法，其特征在于，包含以下步骤：步骤一：根据需求选择表面粗糙度模型，利用Matlab软件计算微通道表面的粗糙度高度；步骤二：利用APDL语言在Ansys中建立微通道的几何模型；步骤三：在Gambit软件中划分高质量的六面体结构网格；步骤四：在Fluent软件中设置边界条件，其中，对于液体流动，在壁面处设置无滑移边界条件，对于气体流动，利用用户自定义函数设置滑移边界条件；步骤五：采用离散格式和数值算法，计算通道内的流场参数；步骤六：对结果进行后处理。

【技术特征摘要】
1.一种基于Fluent软件的粗糙微通道内部流场仿真方法，其特征在于，包含以下步骤：步骤一：根据需求选择表面粗糙度模型，利用Matlab软件计算微通道表面的粗糙度高度；步骤二：利用APDL语言在Ansys中建立微通道的几何模型；步骤三：在Gambit软件中划分高质量的六面体结构网格；步骤四：在Fluent软件中设置边界条件，其中，对于液体流动，在壁面处设置无滑移边界条件，对于气体流动，利用用户自定义函数设置滑移边界条件；步骤五：采用离散格式和数值算法，计算通道内的流场参数；步骤六：对结果进行后处理。2.根据权利要求1所述的基于Fluent软件的粗糙微通道内部流场仿真方法，其特征在于，在步骤一中可以根据微通道的实际表面选择合适的粗糙度模型，包括：适合微通道的表面粗糙度为周期分布的正弦波模型、方波模型或锯齿波模型；适合表面粗糙度满足高斯分布的高斯分布模型；及适合表面粗糙度具有分形特性的分形几何模型。3.根据权利要求1所述的基于Fluent软件的粗糙微通道内部流场仿真方法，其特征在于，在步骤二中，所述利用APDL语言在Ansys中建立微通道的几何模型包括：根据粗糙度数据生成上下两个粗糙表面的离散点；每四个相邻的离散点形成一个小的...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋会明，闫寒，
申请(专利权)人：上海理工大学，
类型：发明
国别省市：上海,31