【摘要】：微流控芯片的提出和發(fā)展催生了疾病即時(shí)檢測(cè)技術(shù)(Point-of-care-testing,POCT)的興起。單純依靠流體慣性實(shí)現(xiàn)粒子聚焦的慣性微流控芯片技術(shù),因其擺脫了鞘流和外加力場(chǎng)的束縛尤為引人矚目。本文采用格子玻爾茲曼方法(Lattice Boltzmann Method,LBM)耦合浸入邊界法(Immersed Boundary Method,IBM)模擬研究流場(chǎng)變化以及其與微尺寸粒子之間的相互作用,并結(jié)合CUDA工具實(shí)現(xiàn)并行計(jì)算,提高了計(jì)算效率。研究了不同尺寸、不同柔度以及不同形狀的復(fù)雜特性粒子在慣性微流控芯片中的遷移規(guī)律。具體的工作內(nèi)容總結(jié)如下:(1)在不同尺寸粒子的遷移特性研究方面:將粒徑分別為5μm和10 μm的球形粒子放入對(duì)稱(chēng)蛇形流道內(nèi),對(duì)其遷移行為進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算結(jié)果表明,當(dāng)流速較低時(shí),慣性升力和Dean流拖曳力能夠?qū)⒘Ｗ悠胶庥诹鞯纼蓚?cè)靠近壁面位置,而當(dāng)流速不斷增大時(shí),在流道截面不斷變換方向的Dean流在流場(chǎng)內(nèi)占主要作用,能夠?qū)⒘Ｗ泳劢褂诹鞯乐行?并且在流速繼續(xù)增大時(shí)粒子能夠聚焦成兩束符合Dean流流向的遷移軌跡。相比于小粒子,大粒子的聚焦位置更偏向流道中心且聚焦效果更好,其原因在于大粒子因?yàn)轶w積效應(yīng)遠(yuǎn)離壁面,且在Dean流漩渦中受到上下方向相反的流體作用而產(chǎn)生穩(wěn)定的橫截面內(nèi)的旋轉(zhuǎn),導(dǎo)致大粒子受到Dean流漩渦中心一定的吸附作用,進(jìn)而表現(xiàn)出了更為理想的聚焦效果。最后通過(guò)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)證實(shí)了本文的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際的蛇形流道內(nèi)粒子的聚焦軌跡較為吻合,以格子玻爾茲曼方法耦合浸入邊界法模擬粒子在慣性流內(nèi)的運(yùn)動(dòng)是較為可靠的。(2)在柔性粒子的遷移特征以及形態(tài)變化方面:分別以慣性直流道和對(duì)稱(chēng)蛇形流道為計(jì)算環(huán)境研究不同柔性粒子在慣性流場(chǎng)中的遷移特性和形態(tài)變化,并計(jì)算了柔性粒子受到的形變誘導(dǎo)升力。在結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單的截面深寬比AR=0.5的慣性直流道中,粒子聚焦于流道水平中心,而柔度較大的粒子其聚焦位置更靠近流道豎直方向中心。粒子在相同截面深寬比AR=0.5的對(duì)稱(chēng)蛇形流道中,由于不同柔度粒子在高度方向的聚焦位置存在差異,所以粒子所受Dean流作用強(qiáng)度不盡相同。柔性較大的粒子聚焦位置靠近流道豎直方向中心,能夠受到更強(qiáng)的Dean流的作用,故而其遷移聚焦軌跡更加符合Dean流的作用方向,與柔性小的粒子產(chǎn)生了一定程度上的分離。(3)橢球形粒子的遷移特性以及粒子取向方面:首先,分別計(jì)算了體積相等但短徑與長(zhǎng)徑之比各異的橢球形粒子在慣性直流道的遷移特性。通過(guò)計(jì)算得到橢球粒子能夠在深寬比較大的慣性直流道中聚焦并伴有周期性的翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),且長(zhǎng)徑與短徑之比較大的粒子其旋轉(zhuǎn)周期較長(zhǎng)且聚焦位置更靠近流道中心,但是不同長(zhǎng)徑比的粒子的聚焦位置之間距離較近,在一定程度上影響了分選精度。通過(guò)對(duì)較大長(zhǎng)徑比的橢球粒子在狹窄直流道內(nèi)運(yùn)動(dòng)行為的分析,發(fā)現(xiàn)了在寬度與橢球粒子長(zhǎng)徑相當(dāng)?shù)莫M窄流道內(nèi),壁面作用可以有效阻礙粒子在其中的旋轉(zhuǎn)。利用超低深寬比AR=0.25的對(duì)稱(chēng)蛇形流道對(duì)不同長(zhǎng)徑比的橢球粒子進(jìn)行分選,較低的流道高度阻礙了長(zhǎng)徑比較大的粒子在豎直平面的旋轉(zhuǎn)作用,強(qiáng)化了水平方向的聚焦作用,拉大了不同粒子間聚焦位置的距離,優(yōu)化了不同長(zhǎng)徑比的橢球粒子間的分選效果,為不同長(zhǎng)徑比的橢球粒子提供了一種新的較為高效的分選方式。并且本文系統(tǒng)地分析了橢球粒子在蛇形流道中的粒子取向,找到了相同形狀的橢球粒子以相同取向流經(jīng)流道出口的粒子操縱辦法,為橢球粒子的排列組裝提供了一種新的解決方式。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類(lèi)號(hào)】：R446;TN492

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