蛇形微流道内复杂特性粒子惯性迁移行为研究

发布时间：2018-11-11 17:20

【摘要】：微流控芯片的提出和发展催生了疾病即时检测技术(Point-of-care-testing,POCT)的兴起。单纯依靠流体惯性实现粒子聚焦的惯性微流控芯片技术,因其摆脱了鞘流和外加力场的束缚尤为引人瞩目。本文采用格子玻尔兹曼方法(Lattice Boltzmann Method,LBM)耦合浸入边界法(Immersed Boundary Method,IBM)模拟研究流场变化以及其与微尺寸粒子之间的相互作用,并结合CUDA工具实现并行计算,提高了计算效率。研究了不同尺寸、不同柔度以及不同形状的复杂特性粒子在惯性微流控芯片中的迁移规律。具体的工作内容总结如下:(1)在不同尺寸粒子的迁移特性研究方面:将粒径分别为5μm和10 μm的球形粒子放入对称蛇形流道内,对其迁移行为进行计算,计算结果表明,当流速较低时,惯性升力和Dean流拖曳力能够将粒子平衡于流道两侧靠近壁面位置,而当流速不断增大时,在流道截面不断变换方向的Dean流在流场内占主要作用,能够将粒子聚焦于流道中心,并且在流速继续增大时粒子能够聚焦成两束符合Dean流流向的迁移轨迹。相比于小粒子,大粒子的聚焦位置更偏向流道中心且聚焦效果更好,其原因在于大粒子因为体积效应远离壁面,且在Dean流漩涡中受到上下方向相反的流体作用而产生稳定的横截面内的旋转,导致大粒子受到Dean流漩涡中心一定的吸附作用,进而表现出了更为理想的聚焦效果。最后通过验证实验证实了本文的计算结果与实际的蛇形流道内粒子的聚焦轨迹较为吻合,以格子玻尔兹曼方法耦合浸入边界法模拟粒子在惯性流内的运动是较为可靠的。(2)在柔性粒子的迁移特征以及形态变化方面:分别以惯性直流道和对称蛇形流道为计算环境研究不同柔性粒子在惯性流场中的迁移特性和形态变化,并计算了柔性粒子受到的形变诱导升力。在结构较为简单的截面深宽比AR=0.5的惯性直流道中,粒子聚焦于流道水平中心,而柔度较大的粒子其聚焦位置更靠近流道竖直方向中心。粒子在相同截面深宽比AR=0.5的对称蛇形流道中,由于不同柔度粒子在高度方向的聚焦位置存在差异,所以粒子所受Dean流作用强度不尽相同。柔性较大的粒子聚焦位置靠近流道竖直方向中心,能够受到更强的Dean流的作用,故而其迁移聚焦轨迹更加符合Dean流的作用方向,与柔性小的粒子产生了一定程度上的分离。(3)椭球形粒子的迁移特性以及粒子取向方面:首先,分别计算了体积相等但短径与长径之比各异的椭球形粒子在惯性直流道的迁移特性。通过计算得到椭球粒子能够在深宽比较大的惯性直流道中聚焦并伴有周期性的翻转运动,且长径与短径之比较大的粒子其旋转周期较长且聚焦位置更靠近流道中心,但是不同长径比的粒子的聚焦位置之间距离较近,在一定程度上影响了分选精度。通过对较大长径比的椭球粒子在狭窄直流道内运动行为的分析,发现了在宽度与椭球粒子长径相当的狭窄流道内,壁面作用可以有效阻碍粒子在其中的旋转。利用超低深宽比AR=0.25的对称蛇形流道对不同长径比的椭球粒子进行分选,较低的流道高度阻碍了长径比较大的粒子在竖直平面的旋转作用,强化了水平方向的聚焦作用,拉大了不同粒子间聚焦位置的距离,优化了不同长径比的椭球粒子间的分选效果,为不同长径比的椭球粒子提供了一种新的较为高效的分选方式。并且本文系统地分析了椭球粒子在蛇形流道中的粒子取向,找到了相同形状的椭球粒子以相同取向流经流道出口的粒子操纵办法,为椭球粒子的排列组装提供了一种新的解决方式。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：R446;TN492

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本文编号：2325593