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技术

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。本发明专利技术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。

Simulation Method for Predicting Balanced Spacing of Particles in Multi-particle Chains Based on IB-LB Method

A simulation method based on IB LB method for predicting the equilibrium spacing of particles in multi-particle chains is presented. The information between fluid and solid is accurately transmitted by using immersion boundary method to accurately describe the solid flow. The particle distribution in micro-scale flow under different working conditions is simulated by adjusting the parameters of the model. Distribution position and particle spacing are given, and then separation position and frequency are given to realize particle manipulation and separation. The invention can accurately and efficiently select the target object from the sample to be monitored for accurate guidance and prediction.

【技术实现步骤摘要】
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
本专利技术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ImmersedBoundary-LatticeBoltzmann)方法对流动稳定颗粒链间距大小进行预测的模拟方法。
技术介绍
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(LatticeBoltzmannMethod)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。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术在应用问题上的关键不足之处，提出一种基于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，通过使用该方法预测微型化实时监测分析系统内监测对象轴向纵向分布位置以及颗粒间平衡间距大小，从而对长直管道颗粒分离给出确定分离位置与分离频率。本专利技术是通过以下技术方案实现的：本专利技术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，如颗粒大小、管道尺寸及流体流速。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。所述的流场是指：三维压力驱动流模型。微流控芯片中研究与应用最为广泛的即为压力驱动流，即微流体内部存在压力差时的流动。因此在模拟中使用外力驱动的方法实现泊肃叶流，且该情况下产生的速度剪切梯度是使得颗粒横向迁移进而自进行组织排布的必要条件。所述的预处理是指：初始流场时，采取颗粒群运动初始速度与流动初始速度相同的预处理。可初始速度为0或给予一定初始速度使演化过程加快。颗粒群的释放初始形状则为沿流向不等间距的颗粒链，或同侧或异侧，间距在2D到5D不等。所述的对固体流动的准确描述，通过以下方式实现：综合固体附近流体点信息，例如三维方向上的速度，使用delta函数对其进行处理，获得固体点上速度的初步预估值；然后计算固体点即拉格朗日点上的回复力。将此回复力离散后求得流场点即欧拉点体力。通过该修正后的流场体力对流场进行速度修正，完成颗粒与流场的交互影响。所述的流体固体之间信息包括：在浸入边界法中涉及到的交互变量包括流体速度Uijk，固体速度Us，固体边界回复力Fs，修正后的流体体力等。所述的模型参数包括：流速U(Ux，Uy，Uz)、颗粒尺寸D、颗粒初始排布以及管道长度(颗粒密度)、松弛时间τ、管道尺寸LWH。所述的反馈处理是指：通过调整模型参数如管道长度，颗粒大小，流体流速以构建不同工况，然后模拟不同工况下微尺度流动中颗粒分布规律，再根据不同模型某一参数变量下平衡颗粒链分布给出分布规律，进而预测实际工艺结果即实际分离时颗粒间距大小。技术效果与现有技术相比，本专利技术工业领域的技术效果包括：本专利技术可以首次给出目前颗粒分装时遇到的瓶颈问题，即颗粒排布位置与颗粒间距，因而可以高效有序的分装颗粒。本专利技术在给出目标分离物大小和管道流速的已知条件下，可以准确预测颗粒在流道中分布情况，对颗粒分装给予一定的指导作用，促使颗粒分装可以在已控条件下有序，高效进行。附图说明图1为利用LBM方法求解模拟基本流程图；图2为浸入边界法示意图；图3为D3Q19示意图；图4为研究模型示意图；图5为异侧颗粒链颗粒初始释放位置即排布情况及间距计算方法示意图；图6为同侧颗粒链初始释放位置及间距计算方法示意图；图7为微流控芯片内直流管道颗粒分装实验示意图；图8同一流速颗粒大小下颗粒排布情况实验与仿真对应结果示意图；图9为同侧颗粒在一定流速下实验与模拟结果分布图；图中：a为实验，b为模拟结果；图10为同侧颗粒(Rep2)间距随时间变化情况统计示意图；图中：a为间距浮动则认为不能形成稳定间距，b为间距呈现稳定同一数值则判断已形成稳定间距颗粒链；图11为方形通道内颗粒平衡位置分布图；图12为不同颗粒雷诺数及密度下颗粒纵向平衡排布分布图；图13为同侧及异侧颗粒链在不同密度及不同本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于IB‑LB方法对多颗粒链颗粒平衡间距进行预测的模拟方法，其特征在于，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；所述的流场是指：三维多颗粒泊肃叶流动模型；所述的流体固体之间信息包括：流体速度、固体速度、固体边界回复力以及修正后的流体体力；所述的模型参数包括：管道截面尺寸、流体流速、颗粒尺寸、颗粒初始排布以及管道长度，即颗粒密度、松弛时间和管道尺寸；所述的对固体流动的准确描述，通过以下方式实现：综合固体附近流体点信息，使用delta函数对其进行插值，获得固体点上速度的初步预估值；然后计算固体点即拉格朗日点上的回复力，并将此回复力离散后求得流场点即欧拉点体力；再通过该修正后的流场体力对流场进行速度修正，完成颗粒与流场的交互影响。

【技术特征摘要】
1.一种基于IB-LB方法对多颗粒链颗粒平衡间距进行预测的模拟方法，其特征在于，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；所述的流场是指：三维多颗粒泊肃叶流动模型；所述的流体固体之间信息包括：流体速度、固体速度、固体边界回复力以及修正后的流体体力；所述的模型参数包括：管道截面尺寸、流体流速、颗粒尺寸、颗粒初始排布以及管道长度，即颗粒密度、松弛时间和管道尺寸；所述的对固体流动的准确描述，通过以下方式实现：综合固体附近流体点信息，使用delta函数对其进行插值，获得固体点上速度的初步预估值；然后计算固体点即拉格朗日点上的回复力，并将此回复力离散后求得流场点即欧拉点体力；再通过该修正后的流场体力对流场进行速度修正，完成颗粒与流场的交互影响。2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的通过使用浸入边界法，对流体固体之间信息进行准确传递，具体包括：①格子点的碰撞与迁移，其中：碰撞过程采用施加源项的但松弛BGK碰撞模型，保证管道的驱动速度：其中：Fi(x,t)是力源项，用于驱动管道流速以实现泊肃叶流：Δt是单位碰撞时间，F(x,t)为体力即fb为流速方向取一恒定数值；②边界处理方法，采用进出口周期流动条件模拟颗粒在无限长管道的流动，其它边界均采用半步反弹周期边界格式；③使用浸入边界法进行流固耦合过程，通过引入Diracdelta函数δ[x-X(s,t)]实现欧拉坐标和拉格朗日坐标物理量的信息交换：首先计算不加力源项流场点速度：用此速度估得拉格朗日点移动速度通过流场点估得的固体速度与预估速度求得固体点受力然后通过固体点受力对流场速度进行修正:先求得流场点反馈...

【专利技术属性】
技术研发人员：王珊，潘振海，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海,31