细胞夹流分离法的数值模拟

发布时间：2017-10-02 04:15

  本文关键词：细胞夹流分离法的数值模拟

  更多相关文章： 浸入边界法 格子Boltzmann方法 夹流分离 细胞分离

【摘要】：细胞是生命活动的基本单位，细胞的研究一直是生物学的热点领域。细胞分离是细胞研究中必不可少的一环，其是后续细胞培养以及相关疾病诊断的先决条件。近年来，微流控芯片的出现给细胞分离的操作带来了极大的便利，因此出现了各种在微流控芯片上分离细胞的方法。夹流分离法自提出之后，以其操作简单、适用范围广等优点，引起了学者们的广泛关注与研究。 本文采用了浸入边界-格子Boltzmann方法对细胞夹流分离进行了数值模拟，采用格子Boltzmann方法构建流场，并用浸入边界法模拟细胞与流体的相互作用。 本文先对所采用的模型进行了验证，验证主要基于三方面内容：(1)顶盖驱动方腔流验证；(2)二维Poiseuille流验证；(3)圆柱绕流验证。通过与前人研究结果比较，可以得出本课题所采用模型可以很好地模拟流体的流动。 随后本文对细胞在不同条件下的的分离情况进行了模拟，本文分别模拟了细胞在不同夹流区宽度、不同流量比以及不同细胞特性的分离效果，并对细胞“绑定”的现象进行了详细研究。 通过模拟得出结论如下： (1)夹流区宽度对细胞夹流分离的影响很大，在一定范围内，减小夹流区宽度可以有效改善分离效果。 (2)稀释溶液的流量必须大于样品溶液的流量才能使大小两种细胞完全分离，在一定范围内，相对增大稀释溶液的流量可以改善分离效果，但是稀释溶液流量增大到一定的程度时，对分离效果的改善就不起作用了。 (3)经验公式可对细胞流出位置进行预测，但是细胞过于柔软时，经验公式就不再适用了。 (4)细胞间距过小时会发生细胞“绑定”现象，而且两种细胞的相对位置会影响细胞的分离，随着细胞间距的增大，小细胞位于大细胞前、后、左位置时，最终达到相似的分离效果，但小细胞为大细胞右侧时，最后的分离效果比其他三种都好。
【关键词】：浸入边界法 格子Boltzmann方法 夹流分离 细胞分离
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：R329.2
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-8
• 目录8-10
• 第1章 绪论10-21
• 1.1 研究目的及意义10
• 1.2 基于微流控芯片的细胞分离方法的发展现状10-16
• 1.2.1 主动分离法10-13
• 1.2.2 被动分离法13-16
• 1.3 基于微流控芯片的夹流分离法的研究现状16-20
• 1.3.1 夹流分离法的原理16-17
• 1.3.2 夹流分离法的研究现状17-19
• 1.3.3 夹流分离法与其它分离方法对比19-20
• 1.4 本文的主要工作20-21
• 第2章 计算方法与模型21-35
• 2.1 格子 Boltzmann 方法21-31
• 2.1.1 格子 Boltzmann 的发展历史21-24
• 2.1.2 格子 Boltzmann 方法 BGK 模型24-25
• 2.1.3 格子 Boltzmann 方法的边界处理格式25-29
• 2.1.4 格子 Boltzmann 方法的单位转换问题29-31
• 2.2 浸入边界法31-35
• 第3章 IB-LBM 方法验证35-46
• 3.1 顶盖驱动方腔流验证35-39
• 3.1.1 顶盖驱动方腔流物理模型35-36
• 3.1.2 顶盖驱动方腔流模拟结果36-39
• 3.2 Poiseuille 流验证39-42
• 3.2.1 二维 Poiseuille 流计算模型39-41
• 3.2.2 二维 Poiseuille 流实际物理参数与 LBM 参数转换41
• 3.2.3 二维 Poiseuille 流计算结果41-42
• 3.3 圆柱绕流验证42-45
• 3.3.1 物理模型43-44
• 3.3.2 圆柱绕流计算结果44-45
• 3.4 本章小结45-46
• 第4章 基于夹流法的细胞分离的数值模拟46-61
• 4.1 芯片设计46-47
• 4.2 方法验证47
• 4.3 不同夹流区宽度47-49
• 4.4 不同流量比49-51
• 4.5 不同细胞膜特性51-52
• 4.6 绑定现象52-54
• 4.7 芯片多分支通道改进54-60
• 4.7.0 芯片设计54-55
• 4.7.1 出口流量比对于流出位置的影响55-59
• 4.7.2 特定流出比下不同大小细胞的分离59-60
• 4.8 本章小结60-61
• 第5章 总结与展望61-63
• 5.1 总结61
• 5.2 展望61-63
• 参考文献63-69
• 攻读学位期间发表论文与研究成果清单69-70
• 致谢70

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