基于格子Boltzmann方法的分叉微通道内非牛顿流体流动特性研究*

郑馨瑶 杨 刚 张会臣

(大连海事大学船舶与海洋工程学院 辽宁大连 116026)

微通道是指水力直径在微米量级的流动通道，具有高的表面体积比、高的传热效率及较少的流体使用量等特点，广泛应用于微流体系统[1-3]。由于尺度的限制，微通道内流体的流动特性很难通过实验完全揭示清楚，并且有些实验现象的分析也亟待深入。对微通道内流体流动进行数值模拟，是对实验中难以观测记录现象和对实验现象加以分析的有效手段[4]。这些数值模拟方法主要包括计算流体动力学、格子玻尔兹曼方法以及分子动力学。相比于宏观尺度下的计算流体动力学方法与微观尺度下的分子动力学方法，格子玻尔兹曼方法是一种介于流体连续性假设与分子动力学之间的方法，节省计算资源的同时，可揭示微通道内流体流动的机制[5]。

早期一些学者借助格子Boltzmann方法模拟微通道内气体的流动。TANG等[6]采用格子玻尔兹曼方法模拟了微通道中的等温气体流动，将反弹边界和镜面反射格式组合模拟滑移边界条件[7]，推导出了松弛时间与努森数的关系。LIU和GUO[8]采用格子玻尔兹曼方法研究了长矩形微通道内压力驱动的气体流动，并与其他方法所得数据进行了对比。此外，由于格子玻尔兹曼方法易于模拟复杂边界，还被广泛应用于液滴动力学特性的模拟。梁宏等人[9]采用格子 Boltzmann 方法模拟了液滴在分叉微通道中的迁移过程,发现当毛细数足够大且壁面具有亲水性时，液滴会发生二次分裂；……