摘要
铁磁流体多相流是通过磁场控制微纳界面过程中广泛存在的一种多物理场耦合复杂多相流动，根据其流体动力学属性主要分为铁磁流体流固耦合问题和铁磁流体两相流动问题。目前，铁磁流体多相流方面的研究普遍存在实验研究较少、磁场作用机理和界面相互作用机理不明确、数值计算模型不完善等问题。因此，开展铁磁流体多相界面效应及其磁场控制机理的数值计算、实验和应用方面的研究，对多物理场耦合复杂流动领域的理论完善有着重要意义，同时也可以对磁场控制微纳米界面技术提供相应的理论支持。 在铁磁流体多相流的数值计算模型研究方面：本文在格子玻尔兹曼方法框架下提出了多套可以用于模拟铁磁流体多相流动问题的数值计算模型。首先，本文通过构建均匀磁场的磁势守恒方程，提出了基于格子玻尔兹曼方法的磁势分布函数求解磁场的数值模型。然后，本文为了解决铁磁流体两相流动的数值模拟难题，提出了质量守恒铁磁流体多相流动格子玻尔兹曼数值计算模型。在该模型中，对界面Cahn-Hillard方程进行了质量修正，保证了多相流系统的质量守恒性。同时，还发展出一套多相流中磁场耦合的统一处理方法。进一步地，为解决大密度比铁磁流体两相流动问题，发展了磁场耦合多相流动简化格子玻尔兹曼数值计算模型。但是，该模型等效的宏观连续性方程仅有一阶精度。为解决这一问题，本文通过平衡态分布函数和非平衡态分布函数与宏观物理量的关系，提出了多相流分步格子玻尔兹曼数值计算模型。通过与现有数值计算模型的结果进行对比，表明该方法在高保真模拟大密度比复杂多相流动问题的同时，也具有较高的计算效率。 在铁磁流体流固耦合问题及磁场控制固体界面机理的研究方面：本文设计并搭建了多物理场耦合复杂流动的显微观测实验平台，对铁磁流体中非磁性颗粒的磁控自组装开展了实验和数值模拟研究，探究了磁场强度、颗粒粒径、磁控自组装结构和链状结构链长之间的关系。然后，结合电磁学平面电流模型和球形线圈模型分析直链结构的感生磁场、磁势能和磁场力，解释了链状结构链长与外磁场和介质饱和磁化强度之间的关系。最后，基于磁场对固体界面控制机理的研究，提出了一套铁磁流体中非磁性颗粒链状结构及链长的磁场控制理论和磁控自组装技术。 在铁磁流体两相流动问题及磁场控制两相界面机理的研究方面：在本文所建立的数值计算模型基础上，对铁磁流体液滴的界面拉伸过程、下落过程和撞击固体表面过程，磁场诱导界面不稳定性（Rosensweig不稳定性），以及铁磁流体中非磁性介质的界面变形和运动过程进行了数值模拟研究，探讨了磁性介质与非磁性流体之间不同的磁场控制界面变形机理，讨论了磁场力、表面张力、重力等因素对界面的影响。 在铁磁流体多相界面效应及其磁场控制机理的应用研究方面：本文通过实验观测以及对积分荧光密度、荧光发光面积、平均荧光强度和荧光发光面积比的测量，研究了磁控自组装现象对荧光抗体检测过程的影响，提出了一种磁控自组装新型抗体检测技术。该技术可以提供抗体的半定量检测结果，可以在判断病毒感染阶段、回溯初始感染时间以及疫苗有效性检测等方面为疫情防控提供有力支持。 综上所述，本文通过数值计算和显微实验技术对铁磁流体多相流过程中的流固耦合问题和两相流动问题进行了系统研究，讨论了铁磁流体多相界面的磁场控制机理。在研究过程中，发展了多套基于格子玻尔兹曼方法的铁磁流体多相流动数值计算模型。这些方法和结论是多物理场耦合多相复杂流动领域的重要补充。同时，本文结合实验和数值计算结果，提出了非磁性介质的磁场控制技术，并设计出了基于磁控自组装的新型抗体检测方法，为铁磁流体多相流在生物医学检测和微纳米操控领域的应用打下了基础。
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