【摘 要】
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随着科技的进步,微流控系统中的颗粒操控技术有了较快的发展,越来越多地服务于人们的生产生活。微尺度环境下,由于流动工况的复杂性和多颗粒之间的相互影响,颗粒操控技术仍可以开展技术革新和优化设计。其中,考虑多颗粒相互影响的情况下,对颗粒所受的流体粘性阻力进行精确计算的研究方向受到广泛关注。精确的流体阻力不仅对颗粒操控的精准性和效率有较大帮助,也可对颗粒的轨迹进行更加精细准确的设计。因此,研究多颗粒相互影
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随着科技的进步,微流控系统中的颗粒操控技术有了较快的发展,越来越多地服务于人们的生产生活。微尺度环境下,由于流动工况的复杂性和多颗粒之间的相互影响,颗粒操控技术仍可以开展技术革新和优化设计。其中,考虑多颗粒相互影响的情况下,对颗粒所受的流体粘性阻力进行精确计算的研究方向受到广泛关注。精确的流体阻力不仅对颗粒操控的精准性和效率有较大帮助,也可对颗粒的轨迹进行更加精细准确的设计。因此,研究多颗粒相互影响下的流体粘性阻力,对于微流控系统颗粒操控技术的未来发展具有较高的意义和价值。本文在斯托克斯流动工况下提出多颗粒流体阻力计算的新算法,以提高颗粒所受阻力的精度和计算效率。通过深入研究颗粒在斯托克斯流中的运动规律和颗粒运动时对周围流体的扰动效果,在小球所受斯托克斯流体阻力解析解的基础上,提出了多颗粒、多粒径、考虑流固耦合的迭代算法——迭代斯托克斯算法(ISF算法)。通过仿真模拟试验,对该算法的有效性和准确性进行了验证;对其适用范围也进行探究。最后,利用该算法对多颗粒的沉降运动进行了模拟。研究结果表明,ISF算法对于小雷诺数流动中的多颗粒流体阻力修正具有良好效果,能够敏感地捕捉到颗粒之间通过流体而形成的相互作用,并验证了ISF算法的适用范围为Re(27)1。将ISF算法运用于颗粒沉降运动模拟中,我们发现,多颗粒在静止流体中的沉降运动,会在彼此的相互影响下会产生“过冲”现象,沉降速度会明显超过其单颗粒沉降的情况,若颗粒在沉降过程中形成轴对称的“长体”结构,在小雷诺数的理想条件下可以保持“长体”的结构;具有相同自由沉降速度和不同尺寸的两颗粒一同沉降时,大颗粒会因其特征长度较大而对小颗粒产生更强的相互作用;相同三颗粒并排沉降时,则会由于彼此初始距离的不同,有可能产生颗粒重排的现象,并导致初始位置不同的颗粒在下落过程中处于落后位置。
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