5.5.1　不规则通道流动模型

在微流控芯片中，直通道是最简单的通道结构。根据设计需要，有时还要在通道中构造特殊的结构，如狭窄结构、柱状阻挡结构、漏筛阻挡结构等。这些结构的共同特征就是在通道的指定位置设置固体区域，以改变流动方向。在LBM中，通常采用反弹(Bounce-Back)方法来完成通道内特殊结构的构建。

在5.4节，我们举了一个采用LBM模拟微通道流动的例子，对这种方法进行了大致介绍。本节在涵盖5.4节内容的基础上，将相对详细地剖析一个LBM程序，以便大家可以更加深入地理解LBM，并掌握LBM模拟不规则通道流动的方法。

本节的建模任务：在通道中建立两个固体圆柱，并通过改变雷诺数来观察流动状态的改变。通道结构如图5.14所示。图中，黑色区域为固体区域，包括上下壁面和通道内部的两个圆柱。观察两个圆柱区域可知，其边缘有锯齿，并不平滑。这是因为，在构造圆柱时，我们只能保证在一个圆形范围内的网格节点为“固体”节点，这些节点位于背景网格的交叉点上，在空间是均匀和离散分布的。图5.15所示为圆柱半径R=2，6，10和15的情况，对比可知，半径越大，圆柱边缘就越贴近正圆形。

本节模型与于5.4节通道流模型的另一个区别在于宏观边界设置(微观边界均采用非平衡外推方法)。本节模型中通道的入口边界条件为速度边界(5.4节中设置的是压力边界)；通道的出口边界为自由出口边界(5.4节中设置的是压力边界)。

图5.14　圆柱绕流模型的通道结构

图5.15　不同半径约束下的圆柱构型

(a)R=2；(b)R=6；(c)R=10；(d)R=15；