摘要: 晶格Boltzmann方法作为一种可靠的计算流体力学方法，目前已发展成为一种有前途的模拟复杂流体流动的数值方法。与其他传统的数值方法相比，该方法结合了宏观模型和分子动力学模型的优点，具有算法简单、易于处理复杂边界和易于并行计算等优势，且已被... 展开 晶格Boltzmann方法作为一种可靠的计算流体力学方法，目前已发展成为一种有前途的模拟复杂流体流动的数值方法。与其他传统的数值方法相比，该方法结合了宏观模型和分子动力学模型的优点，具有算法简单、易于处理复杂边界和易于并行计算等优势，且已被广泛应用于微流控领域。惯性微流控是基于流体力学中颗粒跨流层惯性迁移原理，实现对微通道中颗粒聚集和分选的技术；它不依赖流体成分、通道材质和颗粒的电磁性质，具有结构简单、高吞吐量和高可靠性等优势。然而，作为被动技术的惯性微流控一直无法实时调控微颗粒在微通道内的聚集位置。为了控制颗粒汇聚而反复采用复杂的曲线型通道，不但增加了制造成本和难度，也阻碍了利用多通道并行结构来提高芯片处理能力。因此，本文基于晶格Boltzmann方法提出了一种在惯性微流控通道中主动控制颗粒垂直位置的方案，并将其应用到不同形状颗粒和生物微颗粒的控制中。主要工作内容如下： 1、本文通过边界滑移条件实现了对流场速度的调控。推导了Poiseuille流在单边滑移边界下滑移长度与反弹比例系数的关系式，并在模拟验证中发现，滑移边界条件在不同的反弹比例系数下，可以得到不同的流场速度分布，流场速度的最大点随着滑移长度的增大而逐渐向滑移边界移动。不同反弹比例系数下模拟得到的滑移长度与推导的解析解结果一致，同时又发现具有单边滑移边界的微通道的流场等效于加宽相对应滑移长度的微通道的流场，两个微通道中的颗粒平衡位置是一致的。 2、对圆形、椭圆形和矩形这三种典型形状颗粒在单边滑移Poiseuille流中的运动特性进行了数值仿真研究。与圆形颗粒的平滑轨迹不同，椭圆形和矩形颗粒的运动由于其非圆形几何形状会伴随着有规律的上下振荡和不均匀的旋转。随着滑移长度的增加，流场的速度分布都将发生变化，三种颗粒都逐渐向上迁移，并达到平衡位置，结果表明了单边滑移边界可以有效地操纵颗粒的垂直平衡位置。同时滑移边界不仅仅改变了颗粒的平衡位置，还加快了颗粒的旋转速度，使颗粒的旋转周期缩短。本文采用一系列的轮廓图描绘出在单个旋转周期内不同姿态下的椭圆形和矩形颗粒，以捕捉颗粒的姿态变化以及颗粒振荡的细节。非圆形颗粒的波动幅度随着滑移长度的增加而增大，波动轨迹也会随之发生改变。 3、通过连续实时调节边界滑移实现了对颗粒垂直位置的实时主动控制。在不同时间段内不断增大上边界的滑移长度，颗粒的垂直位置也随之向上边界移动，并在极短的1微秒时间内迁移到新的平衡位置，矩形颗粒振荡幅度最大，并且最接近上边界。同时对不同尺寸的圆形、椭圆形和矩形颗粒在不同的滑移长度下进行了数值模拟，发现颗粒的归一化位置稳定在小范围区间内。 4、对亚微米级病毒颗粒在Poiseuille流中的运动特性进行了数值仿真和研究。对新冠病毒、狂犬病毒和非洲猪瘟这三种亚微米级的病毒颗粒进行了二维建模，利用晶格Boltzmann方法模拟了这三种不同形状颗粒在管道Poiseuille流中的迁移和运动，由于它们形状的非圆性，迁移运动中总是包含着规则的振荡和不均匀的旋转。分析了阻塞比和流场雷诺数对新冠病毒颗粒和狂犬病毒颗粒惯性聚集的影响，病毒颗粒的平衡位置均与阻塞比和雷诺数成正比，当阻塞比不断增大时，病毒颗粒达到平衡的时间会不断减小。在一定范围的小雷诺数内，病毒颗粒的平衡位置对泊肃叶流的雷诺数不敏感，雷诺数增大到一定程度时，泊肃叶流的各流层速度差异变大，导致颗粒的旋转周期时长变短。 这些研究成果有利于深入了解滑移边界的原理及使用，同时本文提出的实时主动调控颗粒平衡位置的方案为惯性微流控提供了一种高效的颗粒惯性聚集方法，同时也对生物医学实验中细胞和病毒颗粒的排序、计数和分选等操控提供了技术基础。 收起