题名基于颗粒与流体耦合作用的被动式微流控芯片设计理论及实验研究
作者周腾
学位类别博士
答辩日期2014-07
授予单位中国科学院大学
导师刘震宇
学位专业机械制造及其自动化
中文摘要微流控芯片系统近十年来在医学、生物和环境领域得到广泛应用。针对生物颗粒与细胞的检测,微流控芯片具有灵敏度高、试剂耗费低、方便携带、便于现场检测等优点。微流控芯片中对颗粒控制的方式分为主动式与被动式两种,其中被动式微流控芯片利用结构与流体交互作用对微米级尺度下流道内的流体运动与颗粒进行精确控制。本论文根据被动式微流控芯片控制方式的不同,研究了三种被动式微流控芯片。     随着雷诺数的增加流场中颗粒的惯性效应逐渐增强,因此惯性升力可以应用于高通量颗粒汇聚与分离。为了分析惯性微流体芯片对颗粒控制作用,本论文提出流场内颗粒拟稳态计算模型,颗粒旋转角速度与流场速度和压强耦合求解。本文首先分析而立二维流场中的颗粒受力状态,针对不同的雷诺数流场,通过参数扫描算法获得颗粒的受力平衡位置。在二维算例的基础上,进一步分析了球形颗粒在三维流场中的受力与平衡状态。此方法的优点在于颗粒平衡位置的求解仅需要网格在单维方向上进行变形,因此网格畸变可控,数值计算量小,平衡点位置较为精确。   液泳微流控芯片利用空间结构改变流场压力分布,进而改变颗粒表面受力。为了获得液泳微流控芯片中的颗粒轨迹,提高其对颗粒的汇聚效果,本文采用任意拉格朗日欧拉法(ALE)计算颗粒在液泳芯片的运动情况,系统分析了颗粒与管壁的交互作用,并通过实验验证了数值模拟的正确性。由于通过高速相机不能获得颗粒在流道深度方向上的运动轨迹,因此基于ALE的数值轨迹计算对于颗粒流芯片的设计具有重要的应用价值。通过详细对比颗粒轨迹与流线,表明仅在液泳芯片垂直面中心处流线可以替代垂直面中心处颗粒流固耦合计算。为了减少计算成本,本论文基于Faxen 定律提出一个无量纲优化目标来优化障碍尺寸参数,设计了颗粒快速汇聚微流控芯片。   收缩扩张结构能够对流体和颗粒产生惯性力与迪安(Dean)力作用,从而改变流体与颗粒的运动状态。本文首次采用拓扑优化方法对收缩扩张结构进行优化,并根据优化所得拓扑结构,提出由简单几何布尔运算构成的侧流结构,并依据此结构进行了单层混合器设计。依据混合单元,提出了三种不同的单元串行排列方式,探讨各自的混合效率随雷诺数的变化趋势。数值计算结果表明,优化后混合器相对原始的收缩扩张结构混合器有较大的雷诺数适用范围和较高的混合效率。
英文摘要The  microfluidic  system  is  wildly  used  in the  field  of  biology,  medical  science,  and environment  science.  In  the  past  few  years,  it  has  gained  significant  advances.  The  passive microfluidic  chips  use  the  interaction  between  channel  wall  and  hydrodynamics  to  control  the movement of particle. In this thesis, three types of the passive microfluidic chips are discussed in succession.   The  inertia  microfluidic  emerged  in  recently  years.  In  order  to  know  how  the  inertia microfluidic device controls the particle, the pseudo-static model is proposed. The velocity field of fluid domains and the force acted on the particle is analyzed.  Furthermore, the different inlet flow rates and particle positions are sweeped in order to obtain the equilibrium position of particle in  fluid.  The  method  can  effectively  avoid  the  mesh  distortion  and  maintain  the  accuracy  when the particle moves in the fluid.   For  passive  sheathless  particles  focusing  in  microfluidics,  the  equilibrium  positions  of particles  are  typically  controlled  by  micro  channels  with  a V-shaped  obstacle  array  (VOA).  The design  of  the  obstacles  is  mainly  based  on  the  distribution  of  flow  streamlines  without considering  the  existence  of  particles.  We  report  an  experimentally  verified  particle  trajectory simulation  using  the  arbitrary  Lagrangian-Eulerian  (ALE) fluid-particle  interaction  method.  The particle trajectory  which  is strongly  influenced  by  the  interaction  between  the  particle  and  channel wall  is  systematically  analyzed.  The  numerical  experiments  show  that  the  streamline  is  a  good approximation of particle trajectory only when the particle locates on the center of the channel in depth. As the advantage of fluid-particle interaction method is achieved at a high computational cost and the streamline analysis is complex, a heuristic dimensionless design objective based on the Faxen's law is proposed to optimize the VOA devices. The optimized performance of particle focusing is verified via the experiments and ALE method.   The contraction and expansion structure has the capability to twist flow streamline via the Dean and inertia effects. In this thesis, the topology optimization method is used to optimize the topology of the contraction and expansion structure. Based on the optimized topology geometry, the detailed lateral flow structure is simplified based on the boolean operation. One-layer mixer is designed via sequentially connected lateral structure and bent channels. The mixing efficiency is optimized  via  key  geometric  parameters  of  designed  one-layer  mixer.  The  numerical  results illustrate  that  the  proposed  mixer  has  better  mixing  efficiency  than  the  contraction-expansion mixer in relatively wide range of Re number cases. 
语种中文
公开日期2014-08-21
内容类型学位论文
源URL[http://ir.ciomp.ac.cn/handle/181722/41510]  
专题长春光学精密机械与物理研究所_中科院长春光机所知识产出
推荐引用方式
GB/T 7714
周腾. 基于颗粒与流体耦合作用的被动式微流控芯片设计理论及实验研究[D]. 中国科学院大学. 2014.
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