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惯性力作用下的微流体流动特性研究

高增锋  
【摘要】:惯性聚集现象是微尺寸管道中的悬浮颗粒在有限雷诺数的层流流场中的一种自发聚集现象,利用该现象可以实现微流控芯片中粒子的分选和聚焦操作,用于解决医疗诊断、生化分析等领域的检测分析和微量操控问题,如血液中细胞的筛选。因为微管道中流体的惯性效应,颗粒在管道中随流体沿主流动方向流动时,会在垂直主流动的方向上发生横向迁移,最终,在惯性升力的作用下,颗粒被稳定地聚集在管道的某一横向位置,然后随流体流动。流体对颗粒的惯性升力是颗粒发生惯性聚集的根本原因,对惯性升力沿管道径向的分布特征及其影响因素进行研究,有助于进一步理解颗粒的惯性迁移和聚集过程,并为惯性微流控芯片的设计和研发提供理论指导。本文在研究颗粒所受惯性升力的过程中,首先,对颗粒在流场中运动时流体对颗粒的作用力进行了理论分析,认为流体的作用力主要来自流体压力梯度力和流体粘性力两方面。然后,利用计算流体动力学软件Fluent对二维平面管道中单个颗粒周围的流体速度场和压力场分布进行了模拟,进而获得颗粒表面微小计算单元上的压力梯度力和流体粘性力,再将计算单元上的压力梯度力和流体粘性力沿颗粒表面进行叠加(积分),即可获得流体对整个颗粒的作用力,该作用力沿管道半径方向的分力即为颗粒所受的惯性升力。本文在计算颗粒的惯性升力时,作者选择了流动流场中的颗粒绕流模型和静止流场中的颗粒旋转两个流动模型,通过计算颗粒在管道不同横向位置处的惯性升力的方向和大小,指出了惯性升力在管道半径方向上的空间分布特征,解释了微管道中颗粒的惯性迁移和聚集现象。最后,研究了管道雷诺数(Re)、颗粒相对直径(d/D)对惯性升力和颗粒聚集位置的影响。研究结果表明:导致颗粒发生惯性迁移和聚集现象的惯性升力由三部分组成,每一部分都同时包含着流体压力梯度力和流体粘性力的贡献。一部分是流体速度在管道横截面上分布不均匀,并且沿主流动方向流体和颗粒间存在相对运动速度,由于萨夫曼效应,颗粒在垂直主流动方向上会受到指向管道中心的惯性升力(该部分惯性升力随流体和颗粒间相对速度的减小而减小);一部分是颗粒受到流体粘性力的作用而自转,由于马格努斯效应,颗粒在垂直主流动方向上会受到指向管道壁面的惯性升力;当颗粒迁移到管道壁面附近时,管道壁面对随颗粒旋转而流动的流体的阻碍作用明显加强,使颗粒受到指向管道中心的惯性升力。而且,马格努斯效应和管道壁面对流体的阻碍作用是颗粒所受惯性升力的主要决定因素,其共同作用决定了颗粒的惯性迁移和聚集现象。颗粒所受惯性升力随颗粒在管道中横向位置的变化而变化,其变化趋势呈现规律性的空间分布特征。在管道中心附近,惯性升力的方向指向管道壁面,其数值随颗粒远离管道中心先增大后减小,逐渐减小为零;在管道壁面附近,惯性升力的方向指向管道中心,其数值随颗粒靠近管道壁面不断增加。因此,在管道的某一横向位置存在着惯性升力为零的平衡位置。而且,随着管道雷诺数的增加,颗粒的聚集位置会向管道壁面偏移;随着颗粒相对直径的增加,颗粒的聚集位置会向管道中心偏移;当颗粒相对直径较大时,由于颗粒对流场的影响,此时难以出现稳定的惯性聚集现象。


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