微流道内椭圆粒子黏弹性聚焦数值模拟研究

摘要

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.