微通道内非牛顿流体-弹性颗粒液固两相流动特性研究

Liquid-solid two-phase flow in microchannels has important applications in the development of microfluidic sensor and microfluidic chip. Based on the previous study on Newontonian fluid-rigid particle two-phase flow in microchannel, the mechanism of Casson fluid-elastic particle two-phase flow and elastic particle focusing and separation in microchannel is planned to be researched in this project. A mathematical model of Casson non-Newtonian fluid will be built, and the flow of non-Newtonian fluid in microchannel will be simulated. Meanwhile, the flow of non-Newtonian fluid in microchannel will be experimentally measured with μ-PIV and micro-sensor technologies. A mathematical model of elastic particle and a two-way coupling model between non-Newtonian fluid and elastic particle will also be built to investigate the mechanism of non-Newtonian fluid-elastic particle two-phase flow in microchannel. The two-phase flow in microchannel will be measured with microscope and high-speed camera. Based on the above-mentioned research, new microchannels will be developed for efficient focusing and separation of elastic particles without external force field. This work will be very helpful for the mechanism study of multi-phase flow in microchannel, and the development of efficient microfluidic technologies.

微通道内液固两相流动在微流传感器及微流体芯片的发展中有着重要的应用。本项目拟在前期微通道内牛顿流体-刚性颗粒液固两相流动研究的基础上，重点研究微通道内卡森类非牛顿流体与弹性颗粒的液固两相流动特性及颗粒的富集与分离规律。研究拟建立卡森类非牛顿流体数学模型，对微通道内的非牛顿流体流动进行数值模拟；使用μ-PIV测试技术和微传感器技术，获得并验证微通道内非牛顿流体的流动特性；建立弹性颗粒模型，考虑微通道中液固两相相互作用，构建"双向耦合"模型，数值模拟获得微通道内非牛顿流体-弹性颗粒液固两相流动特性；通过显微镜和高速摄像机等可视化手段，获得微通道内非牛顿流体-弹性颗粒液固两相流动特征和规律；基于上述机理研究结果，发展新的微通道结构用于弹性颗粒的被动式高效富集与分离。本项目研究对于探索微尺度多相流动机理，发展新型高效的微流体处理技术具有重要的学术价值和应用前景。

微通道内液固两相流动在微流控芯片中有着重要应用。本项目考虑了流体流变特性、颗粒性质及通道结构等因素的影响，对微通道内非牛顿流体-颗粒液固两相流动特性及颗粒相的富集与分离规律开展了系统性研究。首先，建立了微通道内幂律流体模型，采用数值模拟和实验测试相结合的方法，对微通道内幂律流体的流动特性进行了研究，结果表明微通道内幂律流体的速度分布与牛顿流体相似，呈类抛物线形，但粘度随剪切速度增加而降低，表现出剪切稀化特性；其次，建立了微尺度流体-刚性颗粒两相流动模型，结合可视化实验，研究了微颗粒在微通道内粘弹性流体中的运动规律，结果表明颗粒主要受到粘弹性力和惯性力的作用，向微通道中央富集。剪切稀化和弹性力可以有效降低颗粒富集的临界流量；再次，建立了弾性颗粒模型，通过数值模拟和可视化实验，分别研究了弹性颗粒在微通道内牛顿流体与幂律流体中的运动特性，结果表明弹性颗粒在牛顿流体与幂律流体中运动规律类似，即大雷诺数条件下弹性颗粒向通道中心位置移动；同时，系统地研究了不同通道几何结构对粘弹性流体中颗粒运动的影响，通过结构优化，获得了一种新型的具有半圆结构的微通道，在较短的长度内实现粘弹性流体中刚性颗粒的高效富集。基于上述研究获得的微通道内液固两相流动规律，发展了多种用于颗粒和流体操控的微流体技术，成功实现了微尺度颗粒的高效富集、排列及流体混合。截止目前，基于本项目研究工作已发表SCI检索期刊论文5篇，EI检索期刊论文2篇，国际会议论文9篇，国内会议论文4篇，申请国家发明专利6项，其中2项已获授权；已培养毕业博士研究生1名、硕士研究生2名，在读硕博士研究生6名。此外，依托本项目与国家重点实验室经费资助，完成微尺度加工与实验测试平台建设。上述研究工作已实现本项目原定研究目标，为后续微尺度多相流动的相关研究奠定了良好基础。