【摘要】：慣性聚集現(xiàn)象是微尺寸管道中的懸浮顆粒在有限雷諾數(shù)的層流流場中的一種自發(fā)聚集現(xiàn)象,利用該現(xiàn)象可以實現(xiàn)微流控芯片中粒子的分選和聚焦操作,用于解決醫(yī)療診斷、生化分析等領域的檢測分析和微量操控問題,如血液中細胞的篩選。因為微管道中流體的慣性效應,顆粒在管道中隨流體沿主流動方向流動時,會在垂直主流動的方向上發(fā)生橫向遷移,最終,在慣性升力的作用下,顆粒被穩(wěn)定地聚集在管道的某一橫向位置,然后隨流體流動。流體對顆粒的慣性升力是顆粒發(fā)生慣性聚集的根本原因,對慣性升力沿管道徑向的分布特征及其影響因素進行研究,有助于進一步理解顆粒的慣性遷移和聚集過程,并為慣性微流控芯片的設計和研發(fā)提供理論指導。本文在研究顆粒所受慣性升力的過程中,首先,對顆粒在流場中運動時流體對顆粒的作用力進行了理論分析,認為流體的作用力主要來自流體壓力梯度力和流體粘性力兩方面。然后,利用計算流體動力學軟件Fluent對二維平面管道中單個顆粒周圍的流體速度場和壓力場分布進行了模擬,進而獲得顆粒表面微小計算單元上的壓力梯度力和流體粘性力,再將計算單元上的壓力梯度力和流體粘性力沿顆粒表面進行疊加(積分),即可獲得流體對整個顆粒的作用力,該作用力沿管道半徑方向的分力即為顆粒所受的慣性升力。本文在計算顆粒的慣性升力時,作者選擇了流動流場中的顆粒繞流模型和靜止流場中的顆粒旋轉兩個流動模型,通過計算顆粒在管道不同橫向位置處的慣性升力的方向和大小,指出了慣性升力在管道半徑方向上的空間分布特征,解釋了微管道中顆粒的慣性遷移和聚集現(xiàn)象。最后,研究了管道雷諾數(shù)(Re)、顆粒相對直徑(d/D)對慣性升力和顆粒聚集位置的影響。研究結果表明:導致顆粒發(fā)生慣性遷移和聚集現(xiàn)象的慣性升力由三部分組成,每一部分都同時包含著流體壓力梯度力和流體粘性力的貢獻。一部分是流體速度在管道橫截面上分布不均勻,并且沿主流動方向流體和顆粒間存在相對運動速度,由于薩夫曼效應,顆粒在垂直主流動方向上會受到指向管道中心的慣性升力(該部分慣性升力隨流體和顆粒間相對速度的減小而減小);一部分是顆粒受到流體粘性力的作用而自轉,由于馬格努斯效應,顆粒在垂直主流動方向上會受到指向管道壁面的慣性升力;當顆粒遷移到管道壁面附近時,管道壁面對隨顆粒旋轉而流動的流體的阻礙作用明顯加強,使顆粒受到指向管道中心的慣性升力。而且,馬格努斯效應和管道壁面對流體的阻礙作用是顆粒所受慣性升力的主要決定因素,其共同作用決定了顆粒的慣性遷移和聚集現(xiàn)象。顆粒所受慣性升力隨顆粒在管道中橫向位置的變化而變化,其變化趨勢呈現(xiàn)規(guī)律性的空間分布特征。在管道中心附近,慣性升力的方向指向管道壁面,其數(shù)值隨顆粒遠離管道中心先增大后減小,逐漸減小為零;在管道壁面附近,慣性升力的方向指向管道中心,其數(shù)值隨顆�？拷艿辣诿娌粩嘣黾印Ｒ虼�,在管道的某一橫向位置存在著慣性升力為零的平衡位置。而且,隨著管道雷諾數(shù)的增加,顆粒的聚集位置會向管道壁面偏移;隨著顆粒相對直徑的增加,顆粒的聚集位置會向管道中心偏移;當顆粒相對直徑較大時,由于顆粒對流場的影響,此時難以出現(xiàn)穩(wěn)定的慣性聚集現(xiàn)象。
【圖文】：

于微流式細胞儀、血液分析儀、微流控液滴發(fā)生器等微流集現(xiàn)象與慣性微流控技術 Re 為有限值的微尺度圓管道層流流場中，均勻散布的懸一方面沿著主流動方向隨流體流動，一方面在垂直于主流移，最終被穩(wěn)定地聚集在一個離管道中心約 0.6 倍管道半該現(xiàn)象由 Segre 和 Silberberg 于 1961 年在實驗中發(fā)現(xiàn)，并向遷移的橫向作用力由流場中流體的慣性力引起，因此也性升力 FL(lift force)，將該現(xiàn)象稱為顆粒的慣性聚集現(xiàn))。圖 1-1 所示為細小顆粒在直管道中流動時慣性聚集過程，管道入口處的顆粒處于一種無規(guī)則的亂序排列狀態(tài)，當動一段距離后，在慣性升力的作用下會遷移至管道的某一序的排列，然后從管道外側出口流出，實現(xiàn)對顆粒和流

粘性力)[15,16]。在理論流體力學中，用dydu 速度梯度的方向坐標，μ為流體的動方向的剪切應變率；可以看出，，粘性率 du/dy 有關，流體的動力粘度越大體粘性切應力也越大。實驗可以證明流體粘性的存在以及粘間充滿某一粘性流體，將下側平板固定好沿 x 方向以速度 U 做勻速運動。實度在上、下側平板間近似呈線性分布水平拉力 F 也越大，板的表面積 A 越力 F 會隨著板間距離 h 的增大而減小
【學位授予單位】：西安理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TN492;O35

【參考文獻】

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本文編號：2612900