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非球形颗粒的微流动惯性迁移研究取得进展

微纳尺度颗粒(包括细胞、细菌、人工合成微纳颗粒、生物大分子等)的分离与富集在生物、医学、材料和环境等领域有着至关重要的应用惯性微流控是近几年能够实现颗粒高通量精确操控的一种新颖微流控方法现有相关研究主要针对球形颗粒,而实际生物工程应用中所需要处理的颗粒普遍是非球形的,包括盘状红细胞、柱状大肠杆菌、椭球状眼虫藻等。当前,非球形颗粒的相关研究较为缺乏,研究者们一般通过选取等效直径以便将非球形颗粒问题简化为球形颗粒问题

近期,中国科学院力学研究所非线性力学国家重点实验室胡国庆团队在非球形颗粒的惯性迁移研究方面取得进展。研究人员通过三维直接数值模拟,研究了柱状颗粒和盘状颗粒在矩形微通道内的惯性迁移特性,探讨了柱状颗粒的转动行为及受力变化,系统地考察了通道雷诺数、通道宽高比、颗粒阻塞比、颗粒长细比等参数对柱状颗粒平衡位置的影响,并与球形颗粒进行了对比。通过研究柱状颗粒表面应力随转动角度的变化,发现颗粒近壁端所受应力主导其转动行为;通过分析不同通道雷诺数下柱状颗粒在两种通道内所受惯性升力分布,发现在方通道内始终存在四个稳定平衡位置,而在矩形通道内稳定平衡位置则随雷诺数增大逐渐由两个变为四个;通过对比不同情况下柱状颗粒与球形颗粒的平衡位置,发现柱状颗粒等效直径随雷诺数增大而增大。

研究将加深对柱状颗粒微尺度惯性迁移机制的理解,为非球形颗粒的高通量精确操控提供理论指导。上述研究成果发表在Physics of Fluids上(J. Su, X. Chen, and G. Hu, 2018, 30, 032007),并获得编辑精选(Editor's picks)在首页进行展示,相关工作获得了国家自然科学基金、中科院前沿科学重点研究项目和中科院B类先导项目的支持。

颗粒表面应力分布随转动角度的变化规律

颗粒表面应力分布随转动角度的变化规律 

不同雷诺数下颗粒在通道截面内的惯性升力分布:Re=50 (a, d);Re=100 (b, e); Re=200 (c, f)。

不同雷诺数下颗粒在通道截面内的惯性升力分布:Re=50 (a, d);Re=100 (b, e); Re=200 (c, f)。

来源:中国科学院力学研究所