毛细力作用下胶体颗粒自聚集形成的结构有着重要应用，例如，制备光刻面具和高性能数据存储仪器等。已有研究表明当粒子尺度在微米级以上时，除了流体和颗粒间的水动力相互作用外，粒子间相互吸引的横向毛细力将起主导作用。由于发生聚集的胶体粒子较小、聚集时间较短，从实验上观察动态过程并不容易;另一方面，起作用的非线性和远程驱动力使得从理论上进行研究也非常困难，从而数值模拟成为研究这种现象的重要手段。　　 以离散元法(DEM)为基础的模型虽然考虑了毛细力和流体阻力，但仍有待改进。例如，无法求解颗粒上的动态接触线;引入的横向毛细力仅仅是一个理论近似结果:即，该近似横向毛细力是在流体界面变形较小、两粒子均静止且周围没有其它粒子条件下导出的;DEM没有求解流体力学Navier-Stokes方程，而直接采用Stokes公式计算流体阻力，但液膜当中颗粒所受阻力可能远大于标准公式的计算结果;此外，由流动引起的颗粒间相互作用是非局部的，这意味着仅施加流体阻力并不能充分考虑水动力学相互作用。因此，一个好的数值模型需要满足以下条件:(1)能够捕捉流体-流体间的动态界面现象;(2)能够考虑流体-固体间的相互作用;(3)能够捕捉动态接触线;(4)可以容易实现大规模并行计算。　　 格子Boltzmann方法是能够满足上述条件的方法之一。流动中的复杂现象，比如，多相流动中的界面动力学、悬浮颗粒流、动态接触线，毛细力等，由于其介观特性，可以采用简单方式处理。Ladd首先建立模型对流固两相流展开研究，随后其模型得到了系列改进，并与多相多组分格子Boltzmann模型结合起来，但依然缺少对基板上胶体颗粒的自聚集过程和形成结构的系统研究。　　 本论文首先讨论动理学和格子Boltzmann方法的基本原理，然后开发并行计算程序。以Shan-Chen两组分模型为基础建立了三维格子Boltzmann-伪固体模型(Lattice Boltzmann Pseudo-Solid Model，LB-PSM)，并对横向毛细力和胶体颗粒自聚集过程进行并行模拟研究。具体研究的主要内容和结果如下:　　 (1)格子Boltzmann方法单线程程序性能优化设计。给出合并碰撞和迁移过程到一个循环中执行的具体方法，从而减少了数据存取次数。对二维和三维顶盖驱动流的测试表明程序计算性能约提高了三分之一。　　 (2)基于MPI和OpenMP的格子Boltzmann并行计算程序的开发。在MPI并行程序中，基于负载均衡原则采用了单向区域分解，并使用非阻塞通信模式进行数据交换。三维顶盖驱动流的数值模拟研究表明程序具有较好性能。OpenMP并行程序在共享内存多核计算机上也可有效提高程序性能。　　 (3)以Shan-Chen两组分格子Boltzmann模型为基础的三维格子Boltzmann-伪固体模型的建立。改模型的形式简单，无需无滑移边界处理等特点，并近似有二阶收敛精度。同时，通过引入流体-固体间的微观作用力，该模型易于考虑颗粒润湿现象。　　 (4)横向毛细力的研究。利用LB-PSM首次在三维数值模拟中证实了两颗粒间横向毛细力F与颗粒间距L成反比关系（“1/L”定理）;对多体效应进行研究表明离散元法模拟中使用的屏蔽效应并不能正确考虑多体影响;同时研究了流体表面张力γ与F的关系，测试表明当γ在一定范围内时F与γ成正比关系。多体效应和表面张力影响的研究可有助于关于F理论解的进一步发展，包括考虑多体效应和流体界面大变形情形。　　 (5)基板上部分浸润于液膜当中、同样大小球形胶体颗粒自聚集过程的模拟研究。全局结构演化速度快于局部结构，这与离散元模型研究结果吻合。颗粒覆盖率越高，聚集形成的全局结构越紧凑，局部结构越精细。但颗粒覆盖率高到一定程度时，再提高其值并不能有效改善全局结构。流体表面张力影响显著:对于弱表面张力，聚集过程较慢，形成链状结构;当表面张力增强后，聚集过程加快，形成紧凑的全局结构。就聚集过程而言，横向毛细力是动态力，作用于各个尺度的物体间。低粒子覆盖率下，初始阶段颗粒在粒子间横向毛细力作用下形成核，核间横向毛细力作用下形成链状团簇，链状团簇间横向毛细力不能克服流体阻力而无法进一步聚集;高粒子覆盖率下，迅速形成小分支并进一步聚集形成小域。在域间横向毛细力作用下它们整体性进一步聚集。离散元模型中则无法考虑簇间及域间的横向毛细力。　　 (6)两种大小球形颗粒自聚集过程的研究。当颗粒间半径比增加时大小粒子容易分开，这表明半径比是能否分开的最重要因素，且这一结论与Monte Carlo方法研究结果一致。Monte Carlo方法中同样采用模型化的横向毛细力。当初始液膜厚度大于小颗粒直径时忽略它们间的横向毛细力，小颗粒不会发生聚集;LB-PSM模拟中，大球周围的界面会因小球的存在而发生变形，从而大颗粒间的聚集会引起小颗粒间的聚集。