由于目前手性药物和生物制剂的分离制备中广泛存在生产效率低下、高污染和高能耗等问题,本研究试图采用微流控技术设计出一种具有大通量分离能力的微型分离单元,称之为“微筛”。微筛装置依托于微机电技术(MEMS),其基本结构由刻蚀在硅晶片和石英等基体上的微尺度流道组成,通过流体动力学作用可使流经微通道的不同组份产生迁移速度差,从而实现无堵塞、大通量和可调控的分离制备。但是由于此类流道尺度微小,在局部位置流动会呈现明显的稀薄效应,以致于传统的分析设计方法不能指导此类装置的设计。 本论文旨在探索一种适用于微筛装置内部流场分析的数值模拟方法以指导微流道的结构设计。该装置中的流动具有以下特点:连续流动与稀薄流动并存;流动介质多为固液两相流和多相流;分离过程中常伴随电磁及化学作用等。针对此类流动特性,本论文提出了一种基于光滑粒子流体动力学(SPH)和直接模拟蒙特卡洛法(DSMC)的跨尺度耦合算法以求解连续流动与稀薄流动相耦合的跨尺度效应问题。该方法的突出优点在于,两种子方法均为基于物理模拟的非定常粒子算法,易于耦合计算复杂的流动问题,并且可以方便地实现三维问题的模拟。 论文中首先给出了SPH方法和DSMC方法分别模拟连续粘性不可压流动和过渡流区域流动时的控制方程组和边界条件的实现方法,在此基础上确定了耦合方法的计算流程和相关的技术细节,并采用Fortran语言编写了两种子方法的计算程序。本文还主要论证了SPH方法用于化工分离流动模拟的可行性,自主编程并进行了一系列数值计算。首先用标准算例验证了SPH方法的理论模型和计算程序的准确性;通过比较确定选用五次样条核作为计算低雷诺数下的粘性连续流动时的核函数;采用SPH方法和有限体积法分别对同一管道流动进行了对比计算,证明了本文提出的边界缓冲区方法在实现SPH方法中的流体边界条件时的有效性,解决了SPH方法模拟管道流动时的一个关键问题;巧妙地使用SPH方法对化工分离流动中常见的固液两相流及固液耦合作用进行了模拟尝试,获得了较好的结果;在跨尺度计算方面,目前两个子程序已经能够分别模拟连续的和稀薄的二维管流问题,二者的耦合计算程序还处于调试和优化阶段,各个参数对于计算精度和计算速度的影响规律仍在探索中。总之,本论文研究为化工分离流动的模拟及跨尺度算法的实现奠定了坚实的基础并为进一步研究指明了方向。