[發明專利]基于IB-LB方法對多顆粒鏈顆粒平衡間距進行預測的模擬仿真方法

有效

• 申請號: 201811588998.6
• 申請日: 2018-12-25
• 公開（公告）號: CN109800469B
• 公開（公告）日: 2022-12-23
• 發明（設計）人: 王珊;潘振海
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06F119/14
• 代理公司: 上海交達專利事務所 31201
• 代理人: 王毓理;王錫麟

一種基于IB?LB方法對多顆粒鏈顆粒平衡間距進行預測的模擬仿真方法，通過使用浸入邊界法，對流體固體之間信息進行準確傳遞實現對固體流動的準確描述；通過調整模型參數以構建不同工況，然后模擬不同工況下微尺度流動中顆粒分布情況，即軸向與縱向關鍵分布位置與顆粒間距大小，進而給出分離位置與分離頻率以實現顆粒的操控與分裝。本發明能夠準確高效地從待監測樣本中分選出目標對象進行準確的指導與預測。

技術領域

本發明涉及的是一種流體力學領域的技術，具體是一種基于IB-LB(浸入邊界-格子玻爾茲曼Immersed Boundary-Lattice Boltzmann)方法對流動穩定顆粒鏈間距大小進行預測的模擬方法。

背景技術

微流控芯片技術可以實現微尺度下粒子的排列、富集、篩選、分離及捕獲等一體化過程，近年來獲得了巨大進步，其發展開啟了生物、化學和醫學等諸多領域的新篇章。例如服務于臨床診療的即時檢驗分析儀(POCT)，能夠實時檢測病人的各項生理、病理參數，為疾病診斷和病情檢測提供重要幫助。如基于MEMS技術的水質檢測微系統，在水污染控制方面發揮著重要作用。微流控芯片技術的關鍵在于如何操縱流體中的顆粒物從而對其進行有效精準的分離。目前已提出的方法主要通過介電電泳分離，磁場分離，聲波分離以及流體力學分離等主要途徑。但不管是磁場還是電場條件，都需要額外附加受力對顆粒流動進行調整，從長遠看其經濟性有待考量。而采取流體力學捕獲方式，則僅僅是依靠顆粒受流體作用而不考慮其他外加力場，從而成為最佳選擇方式。

目前常見的微流控芯片顆粒應用流體力學被動分離的方法有慣性效應分離，即依據顆粒流動慣性特征對流道采取特殊形狀處理，使其實現不同大小顆粒的分離。其管道形狀多樣，設計加工精準尺寸微通道也可能會存有較大難度，如多曲徑通道需實現準確渦量值以控制顆粒流動。此外還有橫向位移方法，通過設計圓柱障礙結構使得不同粒子流速方向出現差異從而實現顆粒分離。該方法需設計出多圓柱障礙物通道，成本消耗巨大。且依靠特殊形狀管道進行顆粒流動控制的方法也會隨管道的磨損而出現分離偏差，并不是最佳選擇。因此最為經濟簡單的方法則是通過顆粒微通道受限空間內的產生的自組織現象，從而使得顆粒在流體中流動時存在一定排布規律來分離顆粒。顆粒自組織現象是指僅憑借流體流速差異和慣性效應顆粒即可在平直流道中遷移至特定橫向與縱向位置，而此時在該特定位置進行特定頻率取樣即可實現顆粒的有效分離。該技術關鍵在于準確確定顆粒分布位置及顆粒間距，從而確定分離頻率實現顆粒的分裝。而目前研究工作者們大多集中于研究單顆粒流動流場的研究與顆粒遷移路徑的模擬，或者多顆粒群的排布分析，少有對單顆粒鏈之間具體顆粒排布與間距問題的討論，而這正好是在微流控芯片中進行顆粒分離的關鍵信息。

格子玻爾茲曼方法(Lattice Boltzmann Method)作為有效的模擬手段迄今已發展了二十多年，在微尺度領域已經得到了廣泛認可。不同于傳統模擬流體運動的CFD方法，其原理不在于離散宏觀NS方程，而是通過求解離散Boltzmann方程來模擬流體的運動。其基于分子動理論，具有非常清晰明確的物理背景，在宏觀上屬于離散方法，而在微觀上又屬于連續方法，因此其可以較好地應用于微尺度領域，例如流體的流動與換熱，晶體的生成以及多孔介質的研究等。浸入邊界法在經過幾十年的發展后，現代學者不斷對其進行改良使其更適合于模擬復雜物體流動及流固耦合問題。其采取兩套網格，對移動固體邊界和流場流體點采取獨立的拉格朗日點和歐拉點，通過兩套網格之間的信息交換實現物體與流體間作用力的相互反饋，因此在模擬流固問題時具有天然優勢。

使用浸入邊界法耦合格子Boltzmann方法可以實現固液之間的耦合，準確描述出有限體積顆粒與液相流體相互作用與微觀傳遞的數學模型，以此來仿真微觀渦結構的流場分布、界面移動、水力作用以及顆粒鏈之間的作用機制，從而在一定流速或一定顆粒大小的條件下對顆粒鏈的分布，例如橫向與縱向位置，軸向分布間距給出確定數值，從而實現直流管道內顆粒分裝的高效性與準確性。在本仿真預測下微流控芯片系統可以不需要外力協助而實現顆粒的可控預測，也不需要設計復雜結構的流動通道，因而極大降低生產成本，實現高效經濟的顆粒分裝。

發明內容