无界剪切流中对称微胶囊流动分离规律的三维数值研究

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微胶囊是由一层极薄的弹性材料包裹微液滴而形成的特殊结构,其在自然界中广泛存在,如红细胞、卵子、卵泡等。由于该结构在药物缓释、可控释放等方面的巨大潜力,相关工业应用不胜枚举,微胶囊流动问题已成为目前微流控(Microfluidics)领域的研究热点。本论文关注无界剪切流中对称微胶囊的流动现象,运用三维数值建模手段,系统性考察流动强度、初始位置等流动参数变化下,成对微胶囊的流动行为和分离规律。主要工作与结果如下:首先,构建对称分布的双微胶囊流动变形三维数值模型。基于对称分布假定,针对双微胶囊内外流体运动(流体)与薄膜变形(固体)现象,结合边界元与有限元方法构建流固耦合的三维数值模型;数值实施,考察网格相关性等因素;与前人结果的对比表明,本论文建立的三维模型能较真实地描述该物理问题。然后,考察初始位置对于对称微胶囊流动分离行为的影响规律,依次研究不同方向的初始距离对双微胶囊流动分离行为的影响规律。结果表明,剪切流动中,对称微胶囊在水平流向(X方向)上具有“吸引”效应,在水平切向(Y方向)上具有“排斥”效应。研究发现,对称微胶囊在分离过程中会呈现特殊的“回转绕行(Reverse motion)”现象,而且垂直方向(Z方向)的初始距离是“回转绕行”现象发生的关键。研究也表明,初始分离距离直接决定微胶囊间的相互作用大小,从而导致微胶囊形成不同的流动分离行为。其次,考察剪切流动强度(Shear rate)对于对称微胶囊流动分离行为的影响规律。结果表明,外界剪切流动强度变化能直接影响微胶囊流动分离时的变形强度、流动轨迹和移动速度;“回转绕行”现象也与流动强度密切相关,剪切流动强度越低,“回转绕行”次数越多。最后,综合考察初始位置、流动强度的耦合效应对于对称微胶囊流动分离行为的影响规律。通过大量数值模拟,确定了不同剪切流动强度下对称微胶囊“回转绕行”现象产生的关键初始分离高度(z0),确定了流动强度、初始分离距离对“回转绕行”次数的耦合作用规律。上述结果,能为人们构建颗粒、细胞分选微流芯片提供一定的理论支持。
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