牛凤莲

摘要：针对利用环空水射流实现对固体微粒捕获与控制研究中的问题，提出利用光滑粒子动力学构建水射流模型，采用有限元方法构建固体微粒模型，研究在水射流的冲击下固体微粒与水射流的耦合过程。模拟结果显示：在水射流的瞬态冲击下，固体微粒形变过程、位移变化以及稳态下固体微粒周围的速度场和压力场条件能够实现环空水射流操控固体微粒的可行性。

关键词：流场分析；固体微粒；光滑粒子动力学；离散单元法

中图分类号：TP204 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）10-0262-04

Abstract： According to using micro water jet to realize capturing solid particle and implementing position control of micro-particle.This paper mainly present a method that discrete element method and smoothed particle hydrodynamics method are employed to establish the solid-liquid coupling model which is used to analyze the trapping mechanism. A flow field model is set up to simulate dynamic characteristic of water tweezers by Computational Fluid Dynamics （CFD）. The selection of boundary conditions， initial guess， solver control， and convergence strategies of the model is discussed. Velocity and pressure of streamline are predicted and discussed at the certain input conditions. The simulation results demonstrate that it is an efficient theory method to eventually trap the solid particles by water tweezers.

Key words： fluid field analysis； solid particle； Smoothed Particle Hydrodynamics； discrete element method

在微制造领域，微纳产品的制造、装配会涉及不相容的加工工艺、复杂的几何外形和不同制造材料的操作机理，产品的实现将依赖于微尺度的定位、定向和装配操作，从而使微小物体的捕捉及操作在微制造领域显示出重要的一面[1-3]。本文提出利用环空水射流实现直径为1～10毫米固体微粒的捕获与操控。针对这一问题研究的复杂性体现在：1） 环空微流场如何形成对单个柱状固体微粒的捕获和控制；2）柱状固体微粒在环空水射流控制下的稳定性[4]。关于水射流与固体微粒的耦合问题，多数研究从流场的角度进行分析，将动力学与简单的单相流体力学结合，未从耦合作用的原理出发对基于液-固两相流动的耦合模型效果进行优化；②现有测试手段不足限制液-固耦合作用的实际测试，因而缺乏足够的实测数据难以对所建立的水力动力学模型进行有效的实证和评估[5-7]。……