确定性横向迁移装置中圆形粒子分离特性的IB-LBM数值模拟

摘要

粒子分离是很多生物医学过程的重要步骤，近年来确定性横向迁移(DLD)装置因其结构简单并能提供连续分离颗粒流而受到广泛关注。为了加深对分离过程中流场与粒子相互作用的认识以及为DLD设计提供实用可靠的参考，本文使用浸入边界-格子玻尔兹曼法、结合构建的变形圆形粒子弹簧模型对球形粒子在DLD阵列中的分离特性进行了流固耦合数值模拟研究。
　　本研究主要内容包括：⑴通过对圆形粒子的数值实验模拟测算，得到了圆柱型、方型、Ⅰ型、六边型、八边型等DLD阵列的临界分离尺寸，发现所有圆形之外的微柱形状都能获得更小的临界分离尺寸，其中方型和Ⅰ型阵列的临界分离尺寸最小，六边型和八边型装置临界尺寸介于方型和圆柱型之间。根据数值实验的临界尺寸结果，本文进一步引入微柱形状影响因子，修正了Davis关于临界分离尺寸的经验公式，发现副流道宽度比对降低阵列的临界尺寸有着重要作用，为非圆柱型DLD装置的设计提供了有益的理论依据与参考。⑵通过分析粘度与刚度等物理性状参数，发现变形圆形粒子在相同结构的圆柱型DLD阵列中，当粒子弯曲刚度Kb或者内外粘度比λ较小时，与临界分离尺寸相近的4μm变形圆形粒子有效尺寸变大，会从之字型运动模式变成侧向偏移运动模式;而大于临界尺寸的6μm粒子有效尺寸则更大，更易走侧向偏移运动。因此，粘度和刚度等粒子物理性状参数可以在一定程度上改变圆形粒子的临界尺寸以及运动模式，但这个影响程度有限，决定分离特性的主要因素还是圆形粒子尺寸、DLD阵列通道宽度以及偏移率。结合粒子长径统计数据和毛细数的定义，本文发现，对于圆形粒子，毛细数越小，粒子变形能力越差，粒子的有效尺寸就越小，越容易走之字形运动模式。此结论不仅加深了我们对DLD分离机制的理解，同时为设计DLD分离装置提供了理论依据。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．1．1 确定性横向迁移(DLD)分离介绍

1．1．2 其他分离方法

1．2 研究现状

1．2．1 初期DLD分离研究

1．2．2 DLD装置结构的改进

1．2．3 特殊粒子DLD分离

1．2．4 DLD研究方法综述

1．3 本文研究目的及内容

1．3．1 研究目的

1．3．2 论文结构

第二章 数值方法

2．1 数值方法的选取

2．1．1 流场计算方法

2．1．2 粒子模型

2．1．3 流固耦合方法

2．2 格子玻尔兹曼法

2．2．1 D2Q9模型

2．2．2 格子玻尔兹曼方程

2．2．3 宏观量及单位换算

2．2．4 边界处理

2．2．5 驱动方式

2．2．6 格子玻尔兹曼法相关参数

2．3 粒子弹簧模型

2．3．1 弹簧模型的构造

2．3．2 弹簧模型的参数设定

2．3．3 粒子与障碍物的相互作用

2．3．4 无量纲参数

2．3．5 粒子模型相关参数

2．4 浸入边界法

2．5 程序和优化

第三章 微柱形状对圆形粒子分离特性的影响

3．1 参数及相关说明

3．2 圆形粒子在圆柱型、方型、Ⅰ型微柱阵列中的分离规律

3．3 圆形粒子在八边型、六边型微柱阵列中的分离规律

3．4 传统临界尺寸公式的修正

3．5 不同流动模式中主、副流道交汇处的流场结构

第四章 粒子物理性状对其分离特性的影响

4．1 不同物理性状粒子DLD分离

4．2 粒子长径变化

第五章 总结与展望

5．1 本文结论

5．2 问题讨论与改进

5．3 后续工作

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果