微流控芯片中生物趋化行为的多场耦合格子Boltzmann建模与模拟

The chemotaxis problem in microfluidic chip is widely exist in many fields, such as disease diagnosis, drug screening, environment monitoring. Thus, it should be paid full attention. This fundamental problem not only involves in multiple nonlinear coupled PDEs, but also belongs to the complicated multi-physics coupling problem. However, in the microfluidic chip, the macro-scale of the different physical fields has a great distinction, and the coupling always behave nonlinear character. Thus, the traditional numerical methods suffer from many bottlenecks such as dealing with the complex boundaries, microscale effect is difficult to describe, massive computational cost and so on, while the bottlenecks are just the advantages of the lattice Boltzmann method (LBM) which becomes popular in recent years. In view of this, the advanced LBM will be developed to investigate the chemotaxis problem in microfluidic chip. The research topics include: First, building multi-physics coupling LBM that can accurately describe the chemotaxis in microfluidic chip, developing efficient scheme for boundary conditions; Second, conducting stability analysis for the developed coupled LBM, and then to determine the simulation parameter. The research results not only provide effective numerical simulation method for studying the chemotaxis in microfluidic chip, but also provide a reference for the numerical study for the multi-physical coupling problem. Thus it has important scientific significance and practical significance.

微流控芯片中的生物趋化问题广泛存在于疾病诊断、药物筛选、环境监测等重点的应用领域。此类问题涉及到多个非线性偏微分方程的耦合，属于复杂的多物理场耦合问题。对于此类问题，一般数值方法常受制于复杂边界、微尺度效应、计算量大等困难，而以分子动理论为基础的介观格子Boltzmann (LB) 方法在处理此类问题时有独特优势。因此，本项目将采用LB这一先进数值方法开展如下研究：首先，构建能够准确刻画微流控芯片中生物趋化行为的多场耦合LB模型与微观边界处理格式；其次，对所建立的模型进行稳定性分析，确定模拟参数。其研究结果不仅能够为微流控芯片中的生物趋化问题的研究提供有效的数值方法，同时也可以为多物理场耦合问题的数值研究提供参考，因此本项目的研究具有重要的科学意义和应用价值。

微流控芯片中的生物趋化行为对研究生物运动有很重要的作用，而且在生物除污、生物膜的形成、感染的发病机制等领域的研究中也具有重要意义。此类问题属于复杂的多物理场耦合问题，非线性耦合复杂，计算量大，一直是数值研究方面的热点和难点问题。本项目采用以动理学理论为基础的格子Boltzmann方法，针对微流控芯片中的生物趋化问题，进行了系统的研究，并圆满完成了项目研究计划设置的研究内容，主要包括以下内容：（1）考虑到在微流控芯片中的生物流体常呈现出非牛顿流体的性质，我们研究了基于电渗驱动方式的非牛顿流体输运，并针对描述非牛顿效应的幂律模型，建立了更为稳定的多松弛LB方法；(2) 发展了用于求解Nernst-Planck模型的多场耦合多松弛LB方法，并提出了一套合理的迭代机制，提高了运算效率。进而，本项目将所发展的多场耦合的多松弛LB方法应用到微通道内幂律流体电渗混合问题中；(3) 构建了求解趋化流体模型的基于Beam-Warming迁移格式的LB方法，使得CFL条件数可调，改善了稳定性，能够更为准确的捕捉生物趋化中的爆破现象，并数值研究了由浮力和趋化作用导致的生物对流现象。这些研究成果不仅为微流控芯片中的生物趋化行为的研究提供了有效的数值方法，同时丰富和发展了LB方法的理论和应用。