[發(fā)明專利]在復雜相變特性流體環(huán)境中的微透鏡熱回流工藝分析方法

有效

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• 申請日: 2019-12-27
• 公開（公告）號: CN111159883B
• 公開（公告）日: 2023-03-10
• 發(fā)明（設計）人: 李木軍;時翠翠;邱金峰;楊之涵
• 申請（專利權）人: 中國科學技術大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06F119/08
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 吳夢圓

一種熱回流工藝分析方法，包括以下步驟：步驟1：建立整體的三維幾何模型，該整體的幾何模型為一個長方體，其表面即為計算的邊界，其內部即為計算域；步驟2：取整體幾何模型的一部分作為局部研究對象，取局部三維幾何模型的一個截面，建立一個二維幾何模型；步驟3：用前處理軟件對二維幾何模型進行網格劃分，設置初步的邊界條件和流體區(qū)域；步驟4：將網格導入FLUENT軟件中，定義用于仿真計算熱回流過程的計算模型，同時確定求解計算該過程的控制方程；步驟5：設置仿真模型的邊界條件和求解控制方程的數(shù)值計算方法；步驟6：對控制方程進行迭代計算。基于此方法，可以分析和評估熱回流成型過程，更好地控制實際生產的相應參數(shù)來實現(xiàn)更精確的制造。

技術領域

本發(fā)明屬于微光學器件、微流體器件的加工工藝領域，具體涉及微納 加工方法的分析和評估，尤其涉及一種在復雜相變特性流體環(huán)境中的微透 鏡熱回流工藝分析方法。

背景技術

微透鏡是一種應用廣泛的微光學元件，在光學傳感器，光纖耦合，集 成三維成像，光束整型等領域都有應用。對于不同的應用場合，微透鏡的 形態(tài)也各不相同，包括不同數(shù)值孔徑的球形透鏡、橢球透鏡、圓柱形透鏡、 傾斜透鏡等等。由于微透鏡的廣泛應用和形態(tài)多樣性，學者們提出了許多 加工方法，如超精密機床加工、激光直寫技術、灰度掩膜技術、濕法刻蝕、 擠出打印、熱回流等等。在這些技術中，熱回流是最簡單、經濟的加工方 法，且能夠獲得非常高的表面精度。

熱回流技術是利用處于熔融狀態(tài)的有機物在表面張力的作用下，趨于 能量最小化的原理來實現(xiàn)微結構的整形和表面光滑。在沒有任何技術手段 的作用下，熔融的有機物會最終回流成球形，數(shù)值孔徑由有機物和基底的 屬性決定。為了加工形態(tài)多樣的微透鏡，需要對熱回流過程進行控制。近 年來，學者們提出許多新的熱回流加工方法，來實現(xiàn)對熱回流過程的控制。 在這些方法中，通過將熱回流和翻模過程結合起來，利用PDMS(Polydimethylsiloxane，聚二甲基硅氧烷)輔助熱回流具有高度的穩(wěn)定性 和普適性。引入PDMS之后，不僅可以加工接觸線確定的不同數(shù)值孔徑的 球形透鏡，還可以加工傾斜角不同的傾斜透鏡，兩者分別利用了熱回流的 整型和表面光滑的原理。在現(xiàn)有技術中，這兩種作用是不能同時滿足的， 那么引入PDMS后該方法是如何實現(xiàn)高度的普適性是一個亟待探索的問 題。由于基于該方法的微透鏡加工在很短的時間內就完成了，很難用實驗 方法研究它的成型過程，也就很難細致地分析實驗過程中一些工藝參數(shù)對 實驗的影響，不利于進一步優(yōu)化實驗參數(shù)，更精確地控制實驗過程。

發(fā)明內容

有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種在復雜相變特性流體環(huán)境 中的微透鏡熱回流工藝分析方法，以期至少部分地解決上述技術問題中的 至少之一。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種熱回流工藝分析方法，包括以 下步驟：

步驟1：根據熱回流實驗涉及的兩相流體的整個流動區(qū)域，建立整體 的三維幾何模型，該整體的幾何模型為一個長方體，其表面即為計算的邊 界，其內部即為計算域；利用仿真計算前處理軟件劃分網格，設置初步的 邊界條件和計算域內流體的性質；將網格導入FLUENT軟件中，設置用于 仿真計算的計算模型，從而確定相應的控制方程；設置計算域內材料參數(shù) 和計算邊界的邊界條件；在計算域內，距離底部計算邊界一定高度處設置 監(jiān)控點，用于采集該點處溫度值在仿真計算過程中隨時間的變化情況；設 置求解控制方程的計算方法并給求解計算中涉及到的變量設置初值，基于 這些初值和計算方法，對控制方程進行迭代計算；最后對之前監(jiān)控點處得 到的數(shù)據進行處理，擬合得到該處的溫度時間函數(shù)；

步驟2：取步驟1中整體幾何模型的一部分作為局部研究對象，建立 一個局部的三維的幾何模型，為了簡化計算量，僅取局部三維幾何模型的 一個截面，建立一個二維幾何模型，用于之后的仿真計算，該二維幾何模 型的邊線為計算邊界，內部為計算域；

步驟3：用前處理軟件對步驟2中的二維幾何模型進行網格劃分，設 置初步的邊界條件和流體區(qū)域；