基于变分多尺度有限元方法对小尺度湍流混合器中两不溶性流体的高保真模拟
流体动力学
2026-01-07 v2 化学物理
摘要
湍流混合器在化工生产中广泛应用，日益用于通过反溶剂沉淀制备治疗纳米颗粒。产品质量与混合器内流体动力学密切相关。由于许多湍流混合几何图形的时间尺度小且尺寸小，计算流体动力学 (CFD) 模拟已成为预测和理解混合器中流体行为的主要工具。本研究采用残差基变分多尺度有限元方法，对两种常用的湍流混合器——多进气涡旋混合器 (MIVM) 和受限冲击喷嘴混合器 (CIJM) —进行高保真湍流模拟。我们模拟了 MIVM 的两种几何变体（两进气和四进气）以及 CIJM 的两种不同进气比例。通过详细的湍流结果，我们识别出两种 MIVM 配置在湍流启动、总能量和混合性能方面的差异。对于 CIJM 结果，我们展示了流量比例对冲击行为的影响，进而影响混合性能和湍流。两种混合器之间的交叉比较显示出湍流和混合行为的关键差异，如湍流启动、能量衰减和输出混合指数。这项研究证明了在模拟湍流混合器和理解不同混合器间相似性与差异性时，高精度数值方案的重要性。此外，结果表明可通过优化运行条件来实现最佳混合性能。
引用
@article{arxiv.2509.12029,
title = {High-Fidelity Simulations of Two Miscible Fluids in Small Scale Turbulent Mixers Using a Variational Multiscale Finite Element Method},
author = {Dongjie Jia and Mohammad Majidi and Kurt D. Ristroph and Arezoo Ardekani},
journal= {arXiv preprint arXiv:2509.12029},
year = {2026}
}