剛性粒子在圓形微通道內(nèi)的慣性效應(yīng)：數(shù)值模擬與裝置加工.pdf

1、近幾年,微流動(dòng)中的“似乎微弱的”慣性效應(yīng)引起人們很大興趣。這種在低雷諾數(shù)微流動(dòng)沿程上可以漸次造成流動(dòng)其內(nèi)的性質(zhì)差異的粒子(包括液滴、細(xì)胞等)的“偏離”現(xiàn)象,正在被利用來開發(fā)新一代微流控分選技術(shù)。
　　本論文在較為詳細(xì)地回顧了微流動(dòng)慣性遷移效應(yīng)目前研究現(xiàn)狀基礎(chǔ)上,開展了以下兩方面的工作:首先,通過數(shù)值模擬對(duì)直圓形微通道粒子流動(dòng)中存在的慣性遷移效應(yīng)作詳細(xì)考察;其次,探討簡便微加工技術(shù)途徑,加工制作具有直圓微通道特征的微流控芯片,以應(yīng)用

2、于未來的粒子或細(xì)胞的分選實(shí)驗(yàn)。
　　在數(shù)值模擬方面,采用Ansys Fluent軟件詳細(xì)分析了具有不同直徑和長度的直圓形微通道中,剛性粒子在不同流速下的側(cè)向遷移行為。結(jié)果發(fā)現(xiàn),當(dāng)流體速率大于或者等于1.0*10-6m/s時(shí),剛性粒子(10μm)在微通道橫截面呈現(xiàn)慣性聚焦現(xiàn)象;當(dāng)流體速率小于1.0*10-6m/s時(shí),剛性粒子(10μm)在微通道橫截面沒有出現(xiàn)排序情況;當(dāng)速率(3.0*10-6m/s)和其他條件保持不變,只改變微通道的

3、直徑時(shí),微通道直徑越大,粒子慣性聚焦在流線橫截面上所呈現(xiàn)的圓形半徑也越大,即當(dāng)微通道直徑從30~100μm依次增加,粒子慣性聚焦所呈現(xiàn)的圓形半徑也依次從5.0*10-5~1.0*10-4m增大;只改變流體的粘度時(shí),粒子在粘度越大的流體中,慣性偏移的半徑越大。這些結(jié)果提示,粒子在直圓形微通道流動(dòng)中因較大的慣性遷移作用可“自然”形成有序排列行為,尤其呈現(xiàn)出令人感興趣的慣性行為,流體速率、粘度、微通道直徑以及a/D(粒子直徑與微通道直徑的比率

4、)對(duì)粒子在微通道橫截面上的慣性排序行為均有重要作用。
　　在裝置加工方面,摸索提出了一種有機(jī)玻璃基片結(jié)合拉錐玻璃毛細(xì)管來實(shí)現(xiàn)具有逐級(jí)分離分選功能的直圓形微通道微流控分選裝置的簡便加工方案。這種方案中,在有機(jī)玻璃基片的輪廓直通道中以首尾相連方式安排拉錐玻璃毛細(xì)管,在這些相連處引出側(cè)枝分離通道。各級(jí)拉錐玻璃毛細(xì)管的直圓段長度,按照模擬結(jié)果提示來截取,確定直徑的拉錐尖端用自主發(fā)展的定量截取微流控裝置來實(shí)現(xiàn)。論文針對(duì)這種方案的原型裝置的加