活性颗粒是可以通过从环境中吸收能量从而实现只依靠自身的自主运动的一类物质,天然细菌和藻类都属于活性颗粒,其对环境影响的响应在微纳尺度更为敏感和复杂。近年来,各种微纳米人工活性粒子相继产生,其中典型的Janus粒子由两部分组成——具有不同的物理或化学性质。利用粒子两侧的不同性质建立梯度场,实现粒子的自驱动。人工活性粒子的自驱动外部环境主要是溶液环境,在水环境检测以及水环境恢复中显示出良好的应用前景。本文首先介绍了有关活性颗粒的研究背景以及Janus颗粒自驱运动机理,在低雷诺数下,围绕球形粒子的斯托克斯流是对称的,理论上具有球形粒子的线性轨迹,有关椭球形Janus颗粒主动运动的实验中观察到颗粒自驱旋转的运动状态,本文采用数值模拟的研究方法来探讨旋转机理。其次,详细介绍了数值模型的理论基础及流体颗粒的受力分析,提出外加浓度情况下采用的浓度梯度滑移边界物理模型,引入滑移系数来表征浓度梯度对壁面滑移速度的影响。最后,利用COMSOL多物理数值分析平台进行数值模拟,研究Janus颗粒的自驱平动和自驱旋转,平动是转动的基础,通过自驱平动的数值模拟,确定自驱旋转模型相应的匹配参数,观察自驱运动现象并解释自驱旋转产生的原因。对于Janus颗粒的自驱平动现象的研究,分为两部分,其一是研究稳态条件下Janus颗粒的自驱平动速度,根据运动条件建立了二维轴对称模型,研究了三种不同形状的Janus粒子的自驱动速度,特别地,针对主曲率不同的扁椭球,研究了不同主曲率对自驱动性能的影响,结果表明,自驱动速度主要与轴向上的投影面积呈正相关,扁椭球存在最优的颗粒尺寸使得其自驱动速度最大,对未来有关颗粒的形状因素的应用提供理论依据。其二是研究瞬态条件下低雷诺数流不稳定性产生的原因,即对称结构的颗粒在低雷诺数流下产生不对称流动的原因,建立二维模型,设定无量纲数Reu,表征在低雷诺数下的流场中,滑移力和粘性应力的相对大小,当Reu～10^-13时,开始产生明显的涡旋,可认为此时发生了稳定性的破坏,且这一结果与椭球主曲率和运动速度无关,浓度梯度在壁面的作用使颗粒壁面滑移速度的方向和大小均不断变化,结果表明粘性应力表现出粘性切应力和粘性正应力作用的综合。对于椭球形Janus颗粒的自驱旋转的研究,本文考虑到瞬态条件下的旋转层流模块和稀物质传递模块,建立耦合滑移速度的二维旋转坐标系,研究旋转椭球在流场中旋转时,速度场及浓度场随时间的变化情况,研究结果表明颗粒下侧即Pt催化表面的O2浓度由内向外递减,初始时刻反应开始进行,反应面出现小旋涡,催化反应时间极短,旋涡消失,颗粒做匀角速度旋转。高纵横比的椭球颗粒旋转角速度显著高于低纵横比的颗粒,与实验测量结果一致。本文中数值模拟方法从机理解释了颗粒旋转特性——稳定性破坏,为后期研究对Janus颗粒的控制定向运动奠定了基础。