黏弹性-惯性微流道内生物粒子精准操控机理研究

This project proposes a novel theory research on various size and shape bioparticle precise manipulation mechanism in the elasto-inertial flow in a microchannel. The research intends to adopt lattice Boltzmann method coupled with immersed boundary method to build the 3D simulation model of particle behavior in the elasto-inertial flow. Through the numerical calculation and related experiments, competition mechanism of viscoelastic force and inertial lift force for particles will be studied. The focusing effect on particles will be researched by fluid field strength, viscoelastic properties of the flow and microchannel section dimensions, and the manipulation mechanism of various size and shape bioparticle focusing and separation in elasto-inertial flow will be illuminated. The research results will be of great value for biological particles accurate counting and sorting microfluidic chip design and provide new ideas for precise and rapid disease diagnosis and treatment.

本项目拟开展微流道内黏弹性-惯性流中多种尺寸、形状特性生物粒子的精确操控机理研究。研究采用格子玻尔兹曼流场计算方法耦合浸入边界法建立黏弹性-惯性微流道内的三维粒子运动行为仿真计算模型，通过数值计算以及相关实验研究探明流体黏弹性力和惯性升力对于粒子操控的竞争机制。研究流体流动强度、黏弹特性、流道截面形状等参数对于粒子聚焦效果的影响，明确不同尺寸、形状特征的生物粒子在黏弹性-惯性微流道中聚焦和分选行为的操控机理，指导多种形态生物粒子精确计数及分选操控的微流控芯片的设计，为疾病的精确快速诊断和治疗提供新的思路。

本项目开展了微流道内黏弹性-惯性流中多种尺寸、形状特性生物粒子的精确操控机理研究。借助黏弹性流体-牛顿流体双分布格子玻尔兹曼模型求解黏弹性-惯性流场分布演化，结合浸入边界法实现粒子与流体之间的交互，成功建立了黏弹性-惯性微流道内的三维粒子运动行为仿真计算模型。通过数值计算以及相关实验研究探明了流体黏弹性力对于粒子聚焦和分选的关键作用概括而言：.（1）研究了直流道中粒子黏弹性聚焦机理。当代表流体黏弹性的Weissenberg数Wi较小时，流道中的弹性力不足以抵抗原本的惯性升力将粒子推向流道中心，当Wi过大时，会减弱粒子的旋转和流动拉伸，同样削弱粒子的横向弹性效应，减缓了粒子聚焦效率。.（2）研究了粒子在不同深宽比流道中的迁移特性。粒径不同的粒子放置在深宽比不同的直流道中，对其在黏弹性溶液中的迁移行为进行模拟计算，粒径不同的粒子在深宽比小于1的矩形截面流道中具有不同的聚焦位置，大粒子更接近壁面，适用于不同尺寸粒子的分选。.（3）研究了不同长径比椭圆粒子的迁移特性。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，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，方便了不同长径比粒子的分选。.综上所述，本项目研究了流体流动强度、黏弹特性、流道截面形状等参数对于粒子聚焦效果的影响，明确了不同尺寸、形状特征的生物粒子在黏弹性-惯性微流道中聚焦和分选行为的操控机理，旨在指导多种形态生物粒子精确计数及分选操控的微流控芯片的设计，为疾病的精确快速诊断和治疗提供新的思路。