论文部分内容阅读
近年来,微流体装置在生物、医学、材料和化学等领域日益得到普及与应用,微流体装置在这些领域中的一项重要应用是对微流道中处于介观尺度的悬浮粒子（如血细胞、循环肿瘤细胞等人体细胞,细菌、原生生物等微生物,固体粒子、液滴、囊泡等材料粒子）进行分离,进而实现目标粒子的提纯或检测。当前,该领域面临的一项难题是如何将尺寸相同或相近的不同粒子实现高效快速地分离。研究者们为此提出了一系列借助微流体装置的粒子分离方法,其中,惯性微流体技术由于可在较高速（雷诺数Re?100）的流场中发挥效用,因此处理效率高,外加结构简单、性能稳定,而受到关注。惯性微流体技术利用了粒子在泊肃叶流场中的惯性迁移运动,使粒子平衡在流道横截面的特定位置,进而实现目标粒子的分离。然而,以往针对不同形状或变形性的粒子惯性迁移运动的研究得出了混乱的结论,相关机理和理论仍不完善。由此,本文分别探究了形状或变形性存在差异的固体圆球、固体椭球、以液滴为典型代表的表面张力约束的可变形粒子,和以囊泡、细胞为典型代表的膜约束的可变形粒子在平板泊肃叶流场中在Re?100范围内惯性迁移运动的规律和机理,来探究形状和变形性对粒子惯性迁移运动的影响,进而探究基于粒子形状或变形性差异借助惯性微流体技术实现粒子高效快速分离的可行性。对固体圆球在泊肃叶流场中的惯性迁移运动的动力学进行了分析,明确了固体圆球在泊肃叶流场中的横向受力;仿真模拟了固体圆球在平板泊肃叶流场中在Re?100范围内的惯性迁移运动,发现固体圆球横向平衡于位于流道壁和流道中心中间的位置,且它们的横向平衡位置随Re的增大而逐渐靠近流道中心;通过实验验证和与其他研究者结果的比较,证明了仿真结果的准确性;建立了固体圆球在泊肃叶流场中横向受力的理论模型,明确了固体圆球随Re增大逐渐迁移向流道中心的决定性原因是圆球与其周围流体间的滑移剪切引起的滑移剪切升力;在这一结论的基础上,提出了通过改变施加在固体圆球上的驱动力、改变固体圆球的密度和改变固体圆球与流体界面的边界滑移条件来改变固体圆球与其周围流体间的滑移剪切速度,进而操控固体圆球在微流道中横向平衡位置的方法,相关方法通过仿真得到了验证。分别改变固体圆球的形状为长椭球和扁椭球,通过仿真方法模拟了这些形状不同但体积相同的固体椭球在平板泊肃叶流场中在Re?100范围内的惯性迁移运动,探究了形状对固体粒子在泊肃叶流场中横向平衡位置的影响,并探讨了它们的旋转运动与横向平衡位置间的关系。仿真发现,Re相同时,固体椭球的横向平衡位置比同体积的固体圆球更加靠近流道中心;随Re和长短轴之比的增大,椭球的横向平衡位置逐渐靠近流道中心;形状的改变使固体椭球在流场中表现出不同的旋转运动姿态,而它们的旋转运动姿态对它们在流场中的横向平衡位置有重要影响。对可变形粒子在泊肃叶流场中惯性迁移运动的动力学进行了分析;选取液滴为研究对象,仿真研究了表面张力约束的可变形粒子在平板泊肃叶流场中在Re?100范围内惯性迁移运动,分别探究了流场惯性（Re）、液滴/流道尺寸比、表面张力、液滴/介质流体黏度比和介质流体黏度对液滴在平板泊肃叶流场中的横向平衡位置、变形和倾角的影响,并分析了液滴的变形和倾角变化对液滴在流场中横向平衡位置的影响。仿真发现,Re相同时,液滴的横向平衡位置比同体积的固体圆球更加靠近流道中心;随Re的增大,液滴的横向平衡位置逐渐靠近流道中心;液滴/流道尺寸比体现了流道壁的限制约束作用;液滴表面张力、液滴/介质流体黏度比和介质流体黏度可显著影响液滴的变形和倾角,液滴变形的增大和倾角的减小均有利于减小液滴所受到的指向流道壁的剪切梯度升力,从而使液滴的横向平衡位置更加靠近流道中心。选取囊泡/细胞为研究对象,仿真研究了膜约束的可变形粒子在平板泊肃叶流场中在Re?100范围内的惯性迁移运动,分别探究了流场惯性（Re）、膜剪切模量、膜弯曲刚度和囊泡/细胞与介质流体黏度比对囊泡/细胞在平板泊肃叶流场中的横向平衡位置、变形和倾角的影响,并分析了囊泡/细胞的变形和倾角变化对囊泡/细胞在流场中横向平衡位置的影响。仿真发现,Re相同时,囊泡/细胞在流道中的横向平衡位置比同体积的固体圆球和液滴更加靠近流道中心;随Re增大,囊泡/细胞的横向平衡位置逐渐靠近流道中心;膜剪切模量、膜弯曲刚度和囊泡/细胞与介质流体黏度比的减小有利于囊泡/细胞变形的增大和倾角的减小,从而使它们的横向平衡位置逐渐靠近流道中心;然而,囊泡/细胞在平板泊肃叶流场中横向平衡位置主要受膜力学性质——膜剪切模量和膜弯曲刚度的影响,囊泡/细胞与介质流体黏度比的影响较小。综上所述,本文研究了固体圆球、固体椭球、以液滴为代表的表面张力约束的可变形粒子和以囊泡、细胞为代表的膜约束的可变形粒子在平板泊肃叶流场中在Re?100范围内惯性迁移运动的规律和机理,探究了形状和变形性对粒子惯性迁移运动的影响,发现形状或变形性差异使不同粒子稳定在了流道中不同的横向平衡位置,证明了基于形状或变形性差异利用惯性微流体技术实现粒子高效快速分离的可行性。