在复杂相变特性流体环境中的微透镜热回流工艺分析方法技术

一种热回流工艺分析方法，包括以下步骤：步骤1：建立整体的三维几何模型，该整体的几何模型为一个长方体，其表面即为计算的边界，其内部即为计算域；步骤2：取整体几何模型的一部分作为局部研究对象，取局部三维几何模型的一个截面，建立一个二维几何模型；步骤3：用前处理软件对二维几何模型进行网格划分，设置初步的边界条件和流体区域；步骤4：将网格导入FLUENT软件中，定义用于仿真计算热回流过程的计算模型，同时确定求解计算该过程的控制方程；步骤5：设置仿真模型的边界条件和求解控制方程的数值计算方法；步骤6：对控制方程进行迭代计算。基于此方法，可以分析和评估热回流成型过程，更好地控制实际生产的相应参数来实现更精确的制造。

Analysis method of microlens thermal reflux process in complex phase change fluid environment

【技术实现步骤摘要】
在复杂相变特性流体环境中的微透镜热回流工艺分析方法
本专利技术属于微光学器件、微流体器件的加工工艺领域，具体涉及微纳加工方法的分析和评估，尤其涉及一种在复杂相变特性流体环境中的微透镜热回流工艺分析方法。
技术介绍
微透镜是一种应用广泛的微光学元件，在光学传感器，光纤耦合，集成三维成像，光束整型等领域都有应用。对于不同的应用场合，微透镜的形态也各不相同，包括不同数值孔径的球形透镜、椭球透镜、圆柱形透镜、倾斜透镜等等。由于微透镜的广泛应用和形态多样性，学者们提出了许多加工方法，如超精密机床加工、激光直写技术、灰度掩膜技术、湿法刻蚀、挤出打印、热回流等等。在这些技术中，热回流是最简单、经济的加工方法，且能够获得非常高的表面精度。热回流技术是利用处于熔融状态的有机物在表面张力的作用下，趋于能量最小化的原理来实现微结构的整形和表面光滑。在没有任何技术手段的作用下，熔融的有机物会最终回流成球形，数值孔径由有机物和基底的属性决定。为了加工形态多样的微透镜，需要对热回流过程进行控制。近年来，学者们提出许多新的热回流加工方法，来实现对热回流过程的控制。在这些方法中，通过将热回流和翻模过程结合起来，利用PDMS(Polydimethylsiloxane，聚二甲基硅氧烷)辅助热回流具有高度的稳定性和普适性。引入PDMS之后，不仅可以加工接触线确定的不同数值孔径的球形透镜，还可以加工倾斜角不同的倾斜透镜，两者分别利用了热回流的整型和表面光滑的原理。在现有技术中，这两种作用是不能同时满足的，那么引入PDMS后该方法是如何实现高度的普适性是一个亟待探索的问题。由于基于该方法的微透镜加工在很短的时间内就完成了，很难用实验方法研究它的成型过程，也就很难细致地分析实验过程中一些工艺参数对实验的影响，不利于进一步优化实验参数，更精确地控制实验过程。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的主要目的在于提供一种在复杂相变特性流体环境中的微透镜热回流工艺分析方法，以期至少部分地解决上述技术问题中的至少之一。为了实现上述目的，本专利技术提供了一种热回流工艺分析方法，包括以下步骤：步骤1：根据热回流实验涉及的两相流体的整个流动区域，建立整体的三维几何模型，该整体的几何模型为一个长方体，其表面即为计算的边界，其内部即为计算域；利用仿真计算前处理软件划分网格，设置初步的边界条件和计算域内流体的性质；将网格导入FLUENT软件中，设置用于仿真计算的计算模型，从而确定相应的控制方程；设置计算域内材料参数和计算边界的边界条件；在计算域内，距离底部计算边界一定高度处设置监控点，用于采集该点处温度值在仿真计算过程中随时间的变化情况；设置求解控制方程的计算方法并给求解计算中涉及到的变量设置初值，基于这些初值和计算方法，对控制方程进行迭代计算；最后对之前监控点处得到的数据进行处理，拟合得到该处的温度时间函数；步骤2：取步骤1中整体几何模型的一部分作为局部研究对象，建立一个局部的三维的几何模型，为了简化计算量，仅取局部三维几何模型的一个截面，建立一个二维几何模型，用于之后的仿真计算，该二维几何模型的边线为计算边界，内部为计算域；步骤3：用前处理软件对步骤2中的二维几何模型进行网格划分，设置初步的边界条件和流体区域；步骤4：将步骤3中的网格导入FLUENT软件中，根据热回流实验过程中，两种流体的流动状态和仿真计算需要达到的目的，定义用于仿真计算热回流过程的计算模型，从而将几何模型转化为仿真模型，同时也就确定了求解计算该过程的控制方程；在仿真软件中定义实验中涉及到的材料的参数，之后确定具体哪一种材料为计算过程中的第一相；步骤5：设置步骤4中的仿真模型的边界条件和求解步骤4中控制方程的数值计算方法；步骤6：给控制方程中涉及到的变量赋初始，基于这些初值和步骤5中的数值计算方法，对控制方程进行迭代计算。其中，所述方法还包括步骤7：利用步骤1到步骤6所述的方法对微透镜的热回流过程进行仿真计算和结果后处理与分析；分析回流过程中的速度矢量图、两相体积分数云图以及回流轮廓随时间变化的情况，准确仿真微透镜的热回流过程以及揭示微透镜在具有复杂相变特性流体环境中的热回流成型机理，对各种结构微透镜和多种工艺参数的具有相变特性的热回流过程进行预测。其中，步骤1具体实现包括如下子步骤：子步骤1.1：忽略回流过程中两相流体的相互作用，主要考虑整个实验系统的温度场变化；由于两相的热参数较为相近，整个计算域内流体简化为单相流体，然后利用软件建立整体的几何模型；子步骤1.2：利用软件对整体几何模型进行网格划分，划分六面体网格，并设置初步的边界条件和计算域属性；子步骤1.3：将步骤1.2中的计算网格导入FLUENT软件中，打开层流模型、能量模型和融化凝固模型，设置顶部和两侧壁面为热对流壁面边界条件，设置对流换热系数和来流温度，设置底部壁面为恒温边界条件，设置热阻和温度；子步骤1.4：采用基于压力的隐式求解器对具有相变特性的微透镜的热回流流场进行数值模拟，用半隐式算法求解压力耦合方程，压力插值格式选用交错压力格式，梯度离散方法选用基于单元体的最小二乘法插值格式，动量方程和能量方程的离散方法选用二阶迎风插值格式，体积分数离散方法选用压缩插值格式，瞬态项格式选用一阶隐式；子步骤1.5：在距底面一定高度处中心设置温度随时间变化监控点，记录温度时间数据；之后，初始化流场，进行迭代计算。其中，步骤2具体实现方法为：在整个微透镜回流过程中，每个透镜看作是等效的，整个实验系统可以看成由许多周期性结构组成，取其中一部分作为研究对象，为了简化计算，取该部分的一个截面为研究对象，利用软件建立二维几何模型。其中，步骤3具体实现方法为：利用软件划分网格，划分四边形网格，初步设置边界条件，在之后的步骤再进行细致的设置，设置流体区域属性。其中，步骤4具体实现方法包括如下子步骤：子步骤4.1：微透镜热回流过程的雷诺数远小于临界雷诺数，选用层流模型；选用体积流模型计算回流过程中两相的界面；打开能量方程，计算回流过程中瞬态温度场的变化；子步骤4.2：回流过程中涉及的两相材料分别为光刻胶和聚二甲基硅氧烷，聚二甲基硅氧烷粘度随温度和时间的变化可以由阿仑尼乌斯双方程进行表征；通过实验测量聚二甲基硅氧烷在不同温度下粘度随时间变化的曲线，处理数据可得用于实验的聚二甲基硅氧烷对应的阿仑尼乌斯双方程的参数，其余的材料参数由查阅文献资料所得；编写聚二甲基硅氧烷粘度的用户自定义函数，导入材料参数设置中，其余材料参数可直接填写；子步骤4.3：设置两相，选取体积较大的相为第一相；打开连续表面力模型，设置壁面粘附，且设置表面张力系数。其中，步骤5具体实现方法包括如下子步骤：子步骤5.1：分别设置两侧壁面为绝热边界条件，底部壁面为恒温边界条件，设置壁面温度，壁面厚度，壁面材料，设置压力出口边界条件，出口压强为大气压，出口温度为由步骤1得来的温度时间函数，以用户自定义函数的形式输入到压力出口的温度设置中；本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种热回流工艺分析方法，其特征在于，包括如下步骤：/n步骤1：根据热回流实验涉及的两相流体的整个流动区域，建立整体的三维几何模型，该整体的几何模型为一个长方体，其表面即为计算的边界，其内部即为计算域；利用仿真计算前处理软件划分网格，设置初步的边界条件和计算域内流体的性质；将网格导入FLUENT软件中，设置用于仿真计算的计算模型，从而确定相应的控制方程；设置计算域内材料参数和计算边界的边界条件；在计算域内，距离底部计算边界一定高度处设置监控点，用于采集该点处温度值在仿真计算过程中随时间的变化情况；设置求解控制方程的计算方法并给求解计算中涉及到的变量设置初值，基于这些初值和计算方法，对控制方程进行迭代计算；最后对所述监控点处得到的数据进行处理，拟合得到该处的温度时间函数；/n步骤2：取步骤1中整体几何模型的一部分作为局部研究对象，建立一个局部的三维的几何模型，为了简化计算量，仅取局部三维几何模型的一个截面，建立一个二维几何模型，用于之后的仿真计算，该二维几何模型的边线为计算边界，内部为计算域；/n步骤3：用前处理软件对步骤2中的二维几何模型进行网格划分，设置初步的边界条件和流体区域；/n步骤4：将步骤3中的网格导入FLUENT软件中，根据热回流实验过程中，两种流体的流动状态和仿真计算需要达到的目的，定义用于仿真计算热回流过程的计算模型，从而将几何模型转化为仿真模型，同时也就确定了求解计算该过程的控制方程；在仿真软件中定义实验中涉及到的材料的参数；/n步骤5：设置步骤4中的仿真模型的边界条件和求解步骤4中控制方程的数值计算方法；/n步骤6：给控制方程中涉及到的变量赋初始，基于这些初值和步骤5中的数值计算方法，对控制方程进行迭代计算。/n...

【技术特征摘要】
1.一种热回流工艺分析方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：根据热回流实验涉及的两相流体的整个流动区域，建立整体的三维几何模型，该整体的几何模型为一个长方体，其表面即为计算的边界，其内部即为计算域；利用仿真计算前处理软件划分网格，设置初步的边界条件和计算域内流体的性质；将网格导入FLUENT软件中，设置用于仿真计算的计算模型，从而确定相应的控制方程；设置计算域内材料参数和计算边界的边界条件；在计算域内，距离底部计算边界一定高度处设置监控点，用于采集该点处温度值在仿真计算过程中随时间的变化情况；设置求解控制方程的计算方法并给求解计算中涉及到的变量设置初值，基于这些初值和计算方法，对控制方程进行迭代计算；最后对所述监控点处得到的数据进行处理，拟合得到该处的温度时间函数；
步骤2：取步骤1中整体几何模型的一部分作为局部研究对象，建立一个局部的三维的几何模型，为了简化计算量，仅取局部三维几何模型的一个截面，建立一个二维几何模型，用于之后的仿真计算，该二维几何模型的边线为计算边界，内部为计算域；
步骤3：用前处理软件对步骤2中的二维几何模型进行网格划分，设置初步的边界条件和流体区域；
步骤4：将步骤3中的网格导入FLUENT软件中，根据热回流实验过程中，两种流体的流动状态和仿真计算需要达到的目的，定义用于仿真计算热回流过程的计算模型，从而将几何模型转化为仿真模型，同时也就确定了求解计算该过程的控制方程；在仿真软件中定义实验中涉及到的材料的参数；
步骤5：设置步骤4中的仿真模型的边界条件和求解步骤4中控制方程的数值计算方法；
步骤6：给控制方程中涉及到的变量赋初始，基于这些初值和步骤5中的数值计算方法，对控制方程进行迭代计算。


2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括步骤7：利用步骤1到步骤6所述的方法对微透镜的热回流过程进行仿真计算和结果后处理与分析；分析回流过程中的速度矢量图、两相体积分数云图以及回流轮廓随时间变化的情况，准确仿真微透镜的热回流过程以及揭示微透镜在具有复杂相变特性流体环境中的热回流成型机理，对各种结构微透镜和多种工艺参数的具有相变特性的热回流过程进行预测。


3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1具体实现包括如下子步骤：
子步骤1.1：忽略回流过程中两相流体的相互作用，主要考虑整个实验系统的温度场变化；由于两相的热参数较为相近，整个计算域内流体简化为单相流体，然后利用软件建立整体的几何模型；
子步骤1.2：利用软件对整体几何模型进行网格划分，划分六面体网格，并设置初步的边界条件和计算域属性；
子步骤1.3：将步骤1.2中的计算网格导入FLUENT软件中，打开层流模型、能量模型和融化凝固模型，设置顶部和两侧壁面为热对流壁面边界条件，设置对流换热系数和来流温度，设置底部壁面为恒温边界条件，设置热阻和温度；
子步骤1.4：采用基于压力的隐式求解器对具有相变特性的微透镜的热回流流场进行数值模拟，用半隐式算法求解压力耦合方程，压力插值格式选用交错压力格式，梯度离散方法选用基于单元体的最小二乘法插值格式...

【专利技术属性】
技术研发人员：李木军，时翠翠，邱金峰，杨之涵，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：安徽;34