基于格子玻尔兹曼方法的液滴卡断判别方法

本发明涉及一种流体力学技术，特别涉及一种基于格子玻尔兹曼方法的液滴卡断判别方法。

背景技术：

1、微流控芯片等液滴流动实验已广泛应用于生物学、化学、医学、石油工程等领域。在微流控设备中，液滴的生成和卡断对于样品分配、反应控制和分析检测等具有关键作用。精确控制液滴卡断可以提高微流控设备的效率和准确性，广泛应用于单细胞分析、dna测序和生物传感器等领域。因此，如何准确地判断液滴是否发生卡断，对于实验的可靠性和精度至关重要。

2、目前，液滴卡断的检测主要依赖于实验员的经验和观察，或者是通过成像技术等手段进行分析。观测卡断事件是否发生，如果发生，则对卡断时间进行估计，估算精度取决于所获取图像的时间间隔，时间间隔越小，估算越准确，工作量大且效率低下。上述方法存在许多局限性，例如需要大量的人力和时间成本，难以应对复杂的实验环境和参数变化等问题。

技术实现思路

1、针对上述问题，提出了一种基于格子玻尔兹曼方法的液滴卡断判别方法，利用数值方法和计算机技术解决问题，提供一种简单、快速、准确的液滴卡断判别方法具有十分重要的实际意义。

2、本发明的技术方案为：一种基于格子玻尔兹曼方法的液滴卡断判别方法，首先，利用lbm方法对微通道中的液滴进行数值模拟，通过格子玻尔兹曼方法仿真多相流场碰撞和迁移，求解离散后的流动控制方程，并求解表面活性剂的输运方程；然后，仿真过程中通过计算相场、密度场和速度场，得到液滴表面的应力，并将其分解为剪切应力和法向应力；最后，利用剪切应力判据并考虑液滴形态的变化，判断液滴是否发生卡断现象，记录卡断时间。

3、进一步，所述液滴进行数值模拟中使用多松弛参数格子玻尔兹曼方法求解流动控制方程，采用单松弛因子格子玻尔兹曼方法求解表面活性剂的输运方程。

4、进一步，所述液滴进行数值模拟，对含表面活性剂的液滴进行数值模拟，得到液滴表面的流场速度场和应力分布，并根据具体实验需求进行液滴的初始位置及流速、表面张力、粘性、表面活性剂浓度参数设定。

5、进一步，所述利用剪切应力判据指当液滴表面的剪切应力值大于剪切应力设定阈值时，即认为液滴发生卡断现象。

6、进一步，所述剪切应力设定阈值指液滴表面开始出现凸起时对应的剪切应力。

7、一种液滴流动实验装置，使用所述基于格子玻尔兹曼方法的液滴卡断判别方法进行实验装置中液滴流动卡断判断。

8、一种计算机程序产品，其包含可执行的计算机代码，用于实现所述的液滴卡断判别方法。

9、本发明的有益效果在于：本发明基于格子玻尔兹曼方法的液滴卡断判别方法，采用数值模拟的方法，可大大降低人工干预的成本，提高结果的可靠性和重复性；采用格子玻尔兹曼方法进行数值模拟，可较准确地预测液滴表面的应力分布；通过分解应力分量，可更加准确地判断液滴是否发生卡断现象；本发明所提供的液滴卡断判别方法，适用于各种液滴流动实验，并可根据实验需求进行调整和优化。

技术特征：

1.一种基于格子玻尔兹曼方法的液滴卡断判别方法，其特征在于，首先，利用lbm方法对微通道中的液滴进行数值模拟，通过格子玻尔兹曼方法仿真多相流场碰撞和迁移，求解离散后的流动控制方程，并求解表面活性剂的输运方程；然后，仿真过程中通过计算相场、密度场和速度场，得到液滴表面的应力，并将其分解为剪切应力和法向应力；最后，利用剪切应力判据并考虑液滴形态的变化，判断液滴是否发生卡断现象，记录卡断时间。

2.根据权利要求1所述基于格子玻尔兹曼方法的液滴卡断判别方法，其特征在于，所述液滴进行数值模拟中使用多松弛参数格子玻尔兹曼方法求解流动控制方程，采用单松弛因子格子玻尔兹曼方法求解表面活性剂的输运方程。

3.根据权利要求2所述基于格子玻尔兹曼方法的液滴卡断判别方法，其特征在于，所述液滴进行数值模拟，对含表面活性剂的液滴进行数值模拟，得到液滴表面的流场速度场和应力分布，并根据具体实验需求进行液滴的初始位置及流速、表面张力、粘性、表面活性剂浓度参数设定。

4.根据权利要求1所述基于格子玻尔兹曼方法的液滴卡断判别方法，其特征在于，所述利用剪切应力判据指当液滴表面的剪切应力值大于剪切应力设定阈值时，即认为液滴发生卡断现象。

5.根据权利要求4所述基于格子玻尔兹曼方法的液滴卡断判别方法，其特征在于，所述剪切应力设定阈值指液滴表面开始出现凸起时对应的剪切应力。

6.一种液滴流动实验装置，其特征在于，使用权利要求1至5中任意一种基于格子玻尔兹曼方法的液滴卡断判别方法进行实验装置中液滴流动卡断判断。

7.一种计算机程序产品，其包含可执行的计算机代码，其特征在于，用于实现权利要求1至5所述的液滴卡断判别方法。

技术总结本发明涉及一种基于格子玻尔兹曼方法的液滴卡断判别方法，基于格子玻尔兹曼方法对微通道中的液滴进行数值模拟，具有模拟精度高、并行性好等优点。在微流控环境中，液滴与周围流体的界面复杂且动态变化，采用的颜色LBM模型能够准确描述这种界面行为，在微尺度上准确捕捉界面张力、剪切力这些力的变化，以及展示流体内部的详细动态信息，包括速度场、压力场、密度场、表面活性剂的分布等信息。通过格子玻尔兹曼仿真得到的剪切应力判断卡断是否发生，一旦卡断发生则精准记录卡断发生的时间步，无需不断细化输出文件的时间步，提高了工作效率，后续可通过调节参数实现对卡断时间的精确控制，采用数值模拟的方法，可大大降低人工干预的成本，提高结果的可靠性和重复性。技术研发人员：顾青青,黄欣,刘高洁,娄钦受保护的技术使用者：上海理工大学技术研发日：技术公布日：2024/10/10