[发明专利]基于IB-LB方法对多颗粒链颗粒平衡间距进行预测的模拟仿真方法

说明书

一种基于IB‑LB方法对多颗粒链颗粒平衡间距进行预测的模拟仿真方法，通过使用浸入边界法，对流体固体之间信息进行准确传递实现对固体流动的准确描述；通过调整模型参数以构建不同工况，然后模拟不同工况下微尺度流动中颗粒分布情况，即轴向与纵向关键分布位置与颗粒间距大小，进而给出分离位置与分离频率以实现颗粒的操控与分装。本发明能够准确高效地从待监测样本中分选出目标对象进行准确的指导与预测。

技术领域

本发明涉及的是一种流体力学领域的技术，具体是一种基于IB-LB(浸入边界-格子玻尔兹曼Immersed Boundary-Lattice Boltzmann)方法对流动稳定颗粒链间距大小进行预测的模拟方法。

背景技术

微流控芯片技术可以实现微尺度下粒子的排列、富集、筛选、分离及捕获等一体化过程，近年来获得了巨大进步，其发展开启了生物、化学和医学等诸多领域的新篇章。例如服务于临床诊疗的即时检验分析仪(POCT)，能够实时检测病人的各项生理、病理参数，为疾病诊断和病情检测提供重要帮助。如基于MEMS技术的水质检测微系统，在水污染控制方面发挥着重要作用。微流控芯片技术的关键在于如何操纵流体中的颗粒物从而对其进行有效精准的分离。目前已提出的方法主要通过介电电泳分离，磁场分离，声波分离以及流体力学分离等主要途径。但不管是磁场还是电场条件，都需要额外附加受力对颗粒流动进行调整，从长远看其经济性有待考量。而采取流体力学捕获方式，则仅仅是依靠颗粒受流体作用而不考虑其他外加力场，从而成为最佳选择方式。

目前常见的微流控芯片颗粒应用流体力学被动分离的方法有惯性效应分离，即依据颗粒流动惯性特征对流道采取特殊形状处理，使其实现不同大小颗粒的分离。其管道形状多样，设计加工精准尺寸微通道也可能会存有较大难度，如多曲径通道需实现准确涡量值以控制颗粒流动。此外还有横向位移方法，通过设计圆柱障碍结构使得不同粒子流速方向出现差异从而实现颗粒分离。该方法需设计出多圆柱障碍物通道，成本消耗巨大。且依靠特殊形状管道进行颗粒流动控制的方法也会随管道的磨损而出现分离偏差，并不是最佳选择。因此最为经济简单的方法则是通过颗粒微通道受限空间内的产生的自组织现象，从而使得颗粒在流体中流动时存在一定排布规律来分离颗粒。颗粒自组织现象是指仅凭借流体流速差异和惯性效应颗粒即可在平直流道中迁移至特定横向与纵向位置，而此时在该特定位置进行特定频率取样即可实现颗粒的有效分离。该技术关键在于准确确定颗粒分布位置及颗粒间距，从而确定分离频率实现颗粒的分装。而目前研究工作者们大多集中于研究单颗粒流动流场的研究与颗粒迁移路径的模拟，或者多颗粒群的排布分析，少有对单颗粒链之间具体颗粒排布与间距问题的讨论，而这正好是在微流控芯片中进行颗粒分离的关键信息。

格子玻尔兹曼方法(Lattice Boltzmann Method)作为有效的模拟手段迄今已发展了二十多年，在微尺度领域已经得到了广泛认可。不同于传统模拟流体运动的CFD方法，其原理不在于离散宏观NS方程，而是通过求解离散Boltzmann方程来模拟流体的运动。其基于分子动理论，具有非常清晰明确的物理背景，在宏观上属于离散方法，而在微观上又属于连续方法，因此其可以较好地应用于微尺度领域，例如流体的流动与换热，晶体的生成以及多孔介质的研究等。浸入边界法在经过几十年的发展后，现代学者不断对其进行改良使其更适合于模拟复杂物体流动及流固耦合问题。其采取两套网格，对移动固体边界和流场流体点采取独立的拉格朗日点和欧拉点，通过两套网格之间的信息交换实现物体与流体间作用力的相互反馈，因此在模拟流固问题时具有天然优势。

使用浸入边界法耦合格子Boltzmann方法可以实现固液之间的耦合，准确描述出有限体积颗粒与液相流体相互作用与微观传递的数学模型，以此来仿真微观涡结构的流场分布、界面移动、水力作用以及颗粒链之间的作用机制，从而在一定流速或一定颗粒大小的条件下对颗粒链的分布，例如横向与纵向位置，轴向分布间距给出确定数值，从而实现直流管道内颗粒分装的高效性与准确性。在本仿真预测下微流控芯片系统可以不需要外力协助而实现颗粒的可控预测，也不需要设计复杂结构的流动通道，因而极大降低生产成本，实现高效经济的颗粒分装。

发明内容