近年來,微流控芯片技術(shù)在化學(xué)、生物、醫(yī)藥和環(huán)境等領(lǐng)域得到了廣泛的研究和應(yīng)用;其中,微型馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的離心式微流控芯片,通過離心力、歐拉力、科氏力的共同作用驅(qū)動(dòng)芯片內(nèi)的微尺度流體運(yùn)動(dòng)。該類芯片內(nèi)的流體流動(dòng)由離心力等體力驅(qū)動(dòng),只需控制微馬達(dá)的轉(zhuǎn)速及角加速度,無需外接任何液泵;而且芯片內(nèi)可以布置多路微結(jié)構(gòu),具有并行高通量、高效率、結(jié)構(gòu)簡單、易于控制等顯著優(yōu)勢。細(xì)胞分選微流控芯片是微流控技術(shù)領(lǐng)域的重要研究方向,對即時(shí)檢測技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。已有細(xì)胞運(yùn)動(dòng)學(xué)研究通常以微顆粒代替細(xì)胞進(jìn)行研究,微流體中的運(yùn)動(dòng)顆粒受速度差導(dǎo)致的拖曳力、流體速度或壓強(qiáng)不均勻?qū)е碌奶荻攘�。而在離心微流體中,顆粒還受離心力等體力的作用,會(huì)使顆粒因密度和尺寸等因素的差異而具有不同的運(yùn)動(dòng)軌跡,這為實(shí)現(xiàn)不同顆粒的分離分選提供了更加高效、可控的方式和方法。本論文主要研究離心微流體的對流效應(yīng)以及不同顆粒在離心微流體中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,主要內(nèi)容包括:(1)針對離心微流體兩相流的特征,建立液滴的離心碰撞模型,研究離心微流體的對流效應(yīng),從而為離心微流控結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo);(2)針對已有微流控芯片的材料及鍵合工藝普遍不適用于高速旋轉(zhuǎn)離心式微流控芯片的問題,探索研究適合離心式顆粒分選芯片的加工工藝,從而為離心微流控結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證提供所需的工藝基礎(chǔ);(3)針對離心微流體內(nèi)顆粒受離心力、科氏力和歐拉力等體力,速度和壓強(qiáng)差異導(dǎo)致的表面拖曳力和梯度力的耦合作用問題,研究不同顆粒的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)規(guī)律,并據(jù)此設(shè)計(jì)顆粒的離心沉降微流控結(jié)構(gòu),并通過顆粒分選實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證所得芯片結(jié)構(gòu),進(jìn)而確定轉(zhuǎn)速等離心沉降顆粒分選參數(shù),為進(jìn)一步研制離心式細(xì)胞分選芯片系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。
【學(xué)位單位】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TQ051.8
【部分圖文】：

的所有物質(zhì)施加體積力（離心力、科氏力和歐拉力），通過額外的場力驅(qū)使細(xì)胞或者顆粒主動(dòng)偏移或者沉降，這使得離心微流控技術(shù)具有更多的控制手段。另外，離心微流控技術(shù)是通過電機(jī)驅(qū)使芯片旋轉(zhuǎn)，主要控制的參數(shù)為角速度和角加速度，而且離心微流體是體力驅(qū)動(dòng)，不需要外接壓力泵，其控制方法較其他方法也比較簡單。這些優(yōu)勢也使得離心微流控技術(shù)在顆�；蚣�(xì)胞分選上具有很大的潛力。在離心場內(nèi)的微流體會(huì)受到三種體力的作用，即離心力 FC、科氏力 FCo和歐拉力FE。微流體所受的離心力的大小與轉(zhuǎn)速和離心半徑有關(guān)，方向始終沿徑向向外�？剖狭κ敲枋鲈谛D(zhuǎn)系中直線運(yùn)動(dòng)物體的偏移，與轉(zhuǎn)速和運(yùn)動(dòng)物體與旋轉(zhuǎn)系的相對速度相關(guān)。歐拉力則與離心半徑和離心加速度相關(guān)。通過設(shè)計(jì)合理的結(jié)構(gòu)和控制轉(zhuǎn)速、角加速度，可以控制微流體的流動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)各種功能。例如利用科氏力可以在矩形截面的流道中進(jìn)行微流體的混合[33,34]；通過歐拉力驅(qū)使有限液體偏移控制虹吸閥的連通[35]。

為粒子的位置向量， 為粒子的速度向量，由于粒子為無質(zhì)量示蹤粒子，速度來自于兩相流模型。在粒子的運(yùn)動(dòng)過程中，為了使結(jié)果更精確，會(huì)使用大量的粒子，粒子數(shù)量越多，其計(jì)算精度越高。但是還有其他因素會(huì)影響粒子追跡的結(jié)果，因此還需要一些算法修正誤差。第一，由于兩相流中，存在氣相和液相，由于是向前粒子追跡，處于氣相和液相界面的粒子在某一時(shí)間步的位移之后，粒子從液相進(jìn)入氣相，從而導(dǎo)致這個(gè)粒子成了氣相的追跡粒子，從而使用氣相的速度運(yùn)動(dòng)。另外由于液體在管道內(nèi)運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，管道的邊界（也稱為潤濕壁）上的速度為 0，而管道中央的速度最高，因此靠近壁面的液相粒子從移動(dòng)的液相后方進(jìn)入氣相，而位于管道中央的粒子則從中間突破液相進(jìn)入氣相。這種液相中的追跡粒子由于進(jìn)入氣相變成氣相追跡粒子，如圖 2.1 粒子追跡過程中的粒子這些粒子原本所在的空間就會(huì)形成空腔，而這些空腔在液滴混合之后，依然會(huì)存在，這就使得混合后的粒子群依舊存在很多區(qū)域沒有追跡粒子，如圖 2.2 所示。

圖 2.2 混合后的追跡粒子群Figure 2.2 Mixed traced particle groups之外，粒子的分布也會(huì)影響最后的結(jié)果，當(dāng)粒子的分布均勻且有的不均勻，原本整齊密布的粒子會(huì)在移動(dòng)中產(chǎn)生位移差，從而形這種均布的間隔有多小，這種誤差都無法避免。為了避免這種初始分布的時(shí)候，應(yīng)使粒子的位置盡量隨機(jī)分布，以避免這種通過粒子分布反應(yīng)液體的分布，需要將粒子點(diǎn)群通過一定算法確定兩團(tuán)液體的混合界面。本文的方法是將兩種粒子按初始位哪一個(gè)液滴，額外定義一個(gè)身份值 ，與相場法類似，用 =分這兩種混合粒子，然后將混合后的液體所在區(qū)域劃分網(wǎng)格并，得到的插值函數(shù)中， = 的等值線即為混合后液體的界面混合的效果評價(jià)
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本文編號：2882263