1、氣液界面（自由液面）或者液液界面的流體力學(xué)問題廣泛存在于自然界與工業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐中。流體的界面是一個相到另一個相之間很薄的過渡區(qū)域，分子間的相互作用力在這個過渡區(qū)域宏觀上表現(xiàn)為表面張力，其大小一般是溫度和濃度的函數(shù)。其中，流體界面上的非均勻溫度引起的切向表面張力梯度會驅(qū)動流體流動，這種流動稱為熱毛細(xì)對流。
　　在微重力或微尺度條件下，重力和浮力對流體流動的影響極度地減弱，熱毛細(xì)流可能成為主要的對流。在熱毛細(xì)對流問題中，溫度梯度引起的非

2、均勻表面張力即驅(qū)動流體流動又影響界面形狀，這兩者的動態(tài)耦合使熱毛細(xì)對流的數(shù)值模擬成為計算流體動力學(xué)長期以來的一個重要挑戰(zhàn)。
　　基于格子Boltzmann方法（Lattice Boltzmann Method:LBM），本文發(fā)展了考慮界面動態(tài)變形的熱毛細(xì)對流問題的計算方法，其中兩種不相溶的流體流動采用多松弛不可壓縮LBM方法模擬，界面的動態(tài)變形則采用相場法進(jìn)行捕捉。通過自主開發(fā)的程序包，本文數(shù)值模擬研究了雙液滴熱毛細(xì)遷移與合并，以

3、及雙層環(huán)形液池內(nèi)熱毛細(xì)對流和界面變形耦合過程。
　　本文的主要工作與貢獻(xiàn)如下：
　　(1)首先簡要地介紹了LBM方法，推導(dǎo)了格子Boltzmann方程恢復(fù)到宏觀Navier-Stokes方程的過程，并建立了不可壓縮多松弛LBM模型。隨后，對經(jīng)典流動問題進(jìn)行數(shù)值模擬，驗(yàn)證了多松弛不可壓縮LBM基礎(chǔ)模型及其程序的正確性。
　　(2)基于上述LBM基礎(chǔ)模型，建立了兩種不同的耦合模型用于模擬考慮界面動態(tài)變形的等溫兩相流問題，兩

4、種模型中均采用LBM方法求解兩相流流場，而界面運(yùn)動則分別通過Front Tracking方法和相場法捕捉。最后基于OpenMP并行技術(shù)對自主開發(fā)的三維問題程序包實(shí)現(xiàn)并行計算。
　　(3)在LBM耦合相場法模型中進(jìn)一步引入能量方程研究熱毛細(xì)對流問題。建立了軸對稱坐標(biāo)系下的LBM模型，兩相流流場采用LBM進(jìn)行模擬，相場方程和能量方程則采用有限差分法求解。在模型中根據(jù)相場方程得到的指示函數(shù)，通過引入界面力模型（Continuum Sur

5、face Force：CSF）實(shí)現(xiàn)法向和切向表面張力的計算。
　　(4)系統(tǒng)地研究了雙液滴的熱毛細(xì)遷移及合并過程。首次通過數(shù)值模擬揭示了Marangoni數(shù)和Capillary數(shù)對兩液滴合并過程的影響。研究表明在隨Marangoni數(shù)增大，尾隨液滴更難追上前導(dǎo)液滴并與之合并。此外，隨Capillary數(shù)增大前導(dǎo)液滴的變形更明顯，同樣尾隨液滴亦更難追上前導(dǎo)液滴并與之合并，同時液滴之間合并的持續(xù)時間也隨Capillary數(shù)增大而增加。