基于涨落-格子Boltzmann方法的微颗粒布朗运动和泳动的模拟研究

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自驱动Janus颗粒是一种人工合成的活性微纳米颗粒,在微纳米马达领域具有潜在的应用前景。本文基于涨落-格子Boltzmann方法(FLB),研究了Janus颗粒的数值模拟方法及其运动特性。微纳米尺度下Janus颗粒的自驱运动是一种复杂的多场耦合运动,其运动实质是自驱运动和布朗运动的叠加,因此模拟布朗运动是考察Janus颗粒运动机理的基础与前提。此外,为了更好地控制颗粒运动,且考虑到制备工艺的限制,Janus颗粒的实际形状不仅限于球形,因此在布朗运动的数值研究中也要考虑颗粒形状的影响。首先,采用FLB方法对球形、非球形颗粒(三维)的布朗运动直接进行数值模拟。通过将球形颗粒模拟结果分别与理论和实验值对比,验证了FLB模型的有效性,并分析了不同形状非球形颗粒(包括不同长宽比的椭球形和圆柱形颗粒)的布朗运动特性,发现椭球形、圆柱形颗粒虽具有各向异性,但仍遵守能量均分定理。非球形颗粒的速度、角速度自相关函数仍具有长时尾效应,且速度自相关函数只与颗粒质量有关,不受颗粒形状的影响。此外,当颗粒的长短比很低时,扩散系数对形状不敏感。这些发现都为进一步开展基于布朗运动的Janus颗粒自驱运动研究奠定了基础。其次,为了缩短模拟周期,降低计算成本,我们对模型中的边界格式进行了修改,采用插值反弹格式代替了之前模型中的格线反弹格式。通过小球Stokes流动算例验证了插值反弹格式的正确性,并对Bouzidi等提出的插值反弹格式(BFL格式)、Yu等提出的插值反弹格式(YMS格式)和格线反弹格式(LBB格式)之间的准确性进行比较,发现在相同条件下YMS格式具有更高的精度。此外,我们还采用YMS格式下的FLB模型对球形颗粒布朗运动进行模拟,再一次验证其稳定性和准确性。最后,参照郑旭等实验参数对Janus颗粒在H2O2稀溶液中的扩散泳动进行模拟。在对颗粒的模拟中,我们对Janus颗粒的均方位移进行统计,并将统计结果分别与理论值和实验值进行比较,发现它们之间具有很好的吻合度。这一结果说明FLB模型能够被用于进一步研究Janus颗粒的运动,并且证明了Howse等提出的Janus颗粒的均方位移理论公式的适用性。
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