Multi-relaxation time lattice Boltzmann simulation of inertial secondary flow in a curved microchannel

The inertial secondary flow is particularly important for hydrodynamic focusing and particle manipulation in biomedical research.In this paper,the development of the inertial secondary flow structure in a curved microchannel was investigated by the multi relaxation time lattice Boltzmann equation model with a force term.The numerical results indicate that the viscous and inertial competition dominates the development of secondary flow structure development.The Reynolds number,Dean number,and the cross section aspect ratio influence significantly on the development of the secondary vortexes.Both the intensity of secondary flow and the distance between the normalized vortex centers are functions of Dean numbers but independent of channel curvature radius.In addition,the competition mechanism between the viscous and inertial effects were discussed by performing the particle focusing experiments.The present investigation provides an improved understanding of the development of inertial secondary flows in curved microchannels.     

微流道内椭圆粒子黏弹性聚焦数值模拟研究

黏弹性聚焦技术借助微尺度黏弹性流体的惯性和弹性耦合效应,能够实现生物粒子在流道中心的单一位置聚焦排列,被认为是未来生物粒子计数以及检测的理想预处理单元,因而引起了广泛的关注．自然界中的生物粒子往往是非球形的,故而研究不同形状粒子在黏弹性流体中的迁移特性具有十分重要的价值．本文通过格子玻尔兹曼方法耦合浸入边界法,对椭球粒子在直流道内黏弹性流体中的聚焦行为进行了系统的数值模拟研究．结果表明,面积相同但长径比不同的椭圆粒子在黏弹性流体中有不同的旋转周期与迁移速度．长径比更大的粒子旋转周期更长,且长径比大于3.5 的粒子甚至不再有明显的旋转．长径比更大的粒子上下两侧的黏弹性力分布更加平缓,受到指向流道中心的弹性力更小,使得粒子横向迁移速度更慢从而导致了长径比不同的椭圆粒子聚焦至流道中心所需时间的差异．此外,Weissenberg 数Wi 的增加同样能够减弱粒子的旋转,使得长径比稍小的粒子也能和长径比为1.0 的圆形粒子产生明显的分离．上述数值模拟的结论,为不同长径比粒子在黏弹性流体中的聚焦与分选应用提供了重要的理论指导．     

黏弹性流体在微粒被动操控技术中的应用

因能实现微米尺度粒子的精确操控,微流控技术已被广泛运用于医学、制药、生物和化学等领域,其中无需外场作用的被动操控技术由于其简单性和自主性更是成为研究热点。与其他被动操控技术相比,黏弹性聚焦技术更易实现微粒的三维聚焦且能操控微粒的尺度跨度大、流体流量范围广。因此,本文综述了黏弹性流体在微粒被动操控应用中的最新研究进展。首先,介绍了微粒在不同结构流道内的黏弹性流体中进行迁移的受力机理,进一步详细阐述了黏弹性聚焦、黏弹性分选、黏弹性混合以及其他黏弹性微粒操控应用研究进展,最后对研究黏弹性流体流动特性和在其内微粒迁移运动规律的数值模拟方法进行了介绍,并在分析现有问题的基础上对黏弹性微流控技术未来的发展作出了展望。