近30年来,随着高性能计算技术的快速发展,晶格Boltzmann方法(Lattice Boltzmann Method,LBM)已经成为广受欢迎的计算流体力学方法。LBM具有清晰的物理背景,计算简单高效,具有精度高、稳定性好等优势,被广泛应用于多相流、微流体、热流动、湍流等复杂流体运动的研究。特别是采用LBM模拟研究流固耦合运动具有明显的优势,避免了传统流体力学方法的边界积分。课题组提出了具有伽利略不变性的动量交换法(Galilean-invariant Momentum Exchange,GME)求解流固耦合。GME基于动量定理,直接使用分布函数和离散速度计算水力相互作用。该方法编程简单、计算精确、稳定高效,与边界形状无关,适用于计算流中的复杂几何外形的移动边界。本文主要采用GME方法研究了方形颗粒在管道流中的侧向迁移运动和微流控曲线型管道中的颗粒周期性运动。实验研究和工业应用中经常会用到非圆颗粒,其在流体中具有特殊的运动规律。文章对方形颗粒在管道流中的迁移运动做了模拟研究,发现方形颗粒也具有侧向迁移和平衡现象,但是在运动中包含着周期性的波动和非匀速的旋转。和圆形颗粒相似,方形颗粒的阻塞比越大平衡位置就越靠近管道中心,而且波动幅度越大。受颗粒外形的影响,在一个旋转周期中,颗粒要经历四次波动,但是不同雷诺数下,波形存在差异。采用一系列的轮廓图画出了颗粒不同姿态下周围的流场变化,显示了方形颗粒运动的复杂性。这对于控制颗粒在管道流中的聚集和分选很有意义,研究模型也可以进一步推广应用到任意正多边形颗粒。在惯性微流控的研究中,为了提高颗粒的汇集效率经常采用曲线型通道,利用二次流原理实现快速的颗粒排序。但是在模拟研究中,因为曲线型通道不满足压力边界和体力驱动的应用条件,所以模拟结果与实验研究存在较大差距。本文在周期性压力边界条件的基础上,提出了修正的动量交换法(Revised-GME),计算颗粒跨域出入口边界时的水力,为研究曲线型通道中颗粒的迁移运动打下了基础。本文在平直管道下设计了多种雷诺数的颗粒迁移算例,模拟得到Revised-GME在计算颗粒迁移轨迹上的结果与GME的模拟精确符合,证明了Revised-GME在计算跨域时的水力比较稳定,并且误差几乎不会影响流场内部的水力计算。结合周期性压力边界条件和Revised-GME,文章设计了环形和S形管道作为典型的曲线型管道。在环形管道下,流速峰值偏向内环,圆形粒子在墙面诱导升力和流速峰值分布的作用下幅向受力平衡,达到一个相对稳定的平衡位置。考察了粒径对平衡位置的影响,得到粒径显著影响平衡位置的高低,而半径变化对粒子迁移速度影响不大的结论。在S形管道下,流体密度分布呈现一种与管道外形相关的非线性变化,使得流速峰值带中心线在幅向上相对管道中心线附近产生规律的摇摆。在中心线一侧的粒子所处流场的流速差异分布不均,从而造成剪切惯性升力和Saffman升力此消彼长,相互竞争的现象。颗粒所处幅向位置的极小值出现在入口和出口附近,极大值出现在第一个入内环和出内环区域附近,根据以上分析可推测放置在中心线下方的粒子迁移轨迹类似于当前模拟情形。以上,运用GME和周期性压力边界不仅方便模拟平直流场的颗粒两相运动,而且对物理参数呈非线性变化的曲线型管道的颗粒两相模拟,清晰体现了流体流速分布和管道外观对粒子迁移的物理影响。这些研究有助于深入理解曲线型通道的二次流作用和开发高效的惯性微流控装置,用于实现颗粒在管道流中的快速聚集和分选。