CN110465339A - 一种流固两相输运中颗粒定位的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种流固两相输运中颗粒定位的方法。在微流控芯片的微通道内，用压力源从入口端将微通道注入充满液相牛顿流体，将两排固体颗粒并排放置在微通道的入口端，且位于流向中线对称的两侧，两排固体颗粒在入口段驱动压力作用下均逐颗注入到微流控芯片的微通道内，初始注入速度为0，间隙/距离相同；调节压力源的驱动压力和颗粒直径，使得两排固体颗粒分别均匀分布在微流控芯片的微通道两排内壁的壁面附近，形成颗粒间距稳定的交错分布的颗粒链。本发明根据雷诺数和固体颗粒的阻塞率优化了形成均匀稳定的颗粒间距和排布，能够在无外力条件下就形成均匀间距的颗粒链，达到精确定位和计量颗粒的目的，方法提高了颗粒定位的精度和效率。
Description
技术领域
本发明属于微流控芯片中固液两相流领域，特别涉及一种流固两相输运中颗粒定位的方法。
背景技术
颗粒惯性迁移是微流控分析系统中一种重要的分离技术。如细胞仪对血液中血细胞的检测计量，污染颗粒物在呼吸道中的运动，化工过程中颗粒的筛选与分离，微流控芯片中颗粒的高效分离输运等，具有重要的应用价值。以往的研究中多采用施加外力的方式，如磁场、电场以及复杂的微通道结构来实现颗粒在微流控芯片中会形成均匀间距的颗粒链，提高细胞仪对颗粒定位的精度。而颗粒在压力驱动的惯性作用下，能够在无其他外力条件，在简单的直管中固体颗粒就能惯性迁移到指定位置，形成均匀稳定的颗粒间距，极大的提高颗粒监测的准确度和效率。因此，研究颗粒在牛顿流体中的定位方法对提高颗粒检测精度和分离效率具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种流固两相输运中颗粒定位的方法，还根据雷诺数和固体颗粒的阻塞率优化了形成均匀稳定的颗粒间距和排布，方法提高了颗粒定位的精度和效率。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
在微流控芯片的微通道内，微通道的入口端连接压力源，用压力源从入口端将微通道注入充满液相牛顿流体，将两排固体颗粒并排放置在微通道的入口端，且位于微通道的流向中线对称的两侧，两排固体颗粒平行于微通道且在入口端之外，两排固体颗粒到微通道的流向中线的径向距离相同，分别到微通道两侧内壁之间的距离相同，
两排固体颗粒在入口段驱动压力作用下均逐颗注入到微流控芯片的微通道内，固体颗粒的初始注入速度为0，两排固体颗粒中保持流向注入的相邻两颗固体颗粒的间隙/距离相同；
调节压力源的驱动压力和颗粒直径，固体颗粒受固定的驱动压力所引起的惯性和相邻固体颗粒相互靠近时的排斥力作用而向微通道下游运动，使得两排固体颗粒分别均匀分布在微流控芯片的微通道两排内壁的壁面附近，形成颗粒间距稳定的交错分布的颗粒链。
所述的微通道为直通道。
所述的颗粒间距稳定的交错分布的颗粒链，是指两排固体颗粒的各颗固体颗粒在流动方向交错交替分布，并且：
其中一排固体颗粒中的固体颗粒以相同间距或者规律间距地间隔分布，另一排固体颗粒中的固体颗粒沿流向以连续的几个相靠近聚集为一组而形成不同组，组之间间隔分布，组内的固体颗粒以相同间距或者规律间距地间隔分布；
或者是，两排固体颗粒中的固体颗粒均以相同间距或者规律间距地间隔分布；
或者是，两排固体颗粒中的固体颗粒沿流向以连续的几个相靠近聚集为一组而形成不同组，组之间间隔分布，组内的固体颗粒以相同间距或者规律间距地间隔分布。
所述的液相牛顿流体为水或甘油之类。
选择圆形固体颗粒作为固体相，且固体颗粒密度与液相牛顿流体的密度相等。具体实施中，圆形固体颗粒可以为细胞等。
所述的压力源采用压力泵或注射泵。
所述的调节压力源的驱动压力和颗粒直径，具体是：调节压力源的驱动压力使得雷诺数为14、82～120，雷诺数(Re＝ρUmaxH/m，ρ为牛顿流体的密度，Umax为驱动压力产生的速度，H为微流控芯片的直通道高度，m为牛顿流体的粘度)，调节颗粒直径使得阻塞率为0.125～0.4，阻塞率(k＝D/H，D为固体颗粒直径，H为微流控芯片的直通道高度)，使得固体颗粒间的间距能达到均匀稳定，形成固定的颗粒链。
当调节压力源的驱动压力使得雷诺数为14且调节颗粒直径使得阻塞率为0.125～0.3时，形成以下颗粒间距稳定的交错分布的颗粒链：其中一排固体颗粒中的固体颗粒以相同间距或者规律间距地间隔分布，另一排固体颗粒中的固体颗粒沿流向以连续的几个相靠近聚集为一组而形成不同组，组之间间隔分布，组内的固体颗粒以相同间距或者规律间距地间隔分布。
当调节压力源的驱动压力使得雷诺数为82且调节颗粒直径使得阻塞率为0.2～0.3时，形成以下颗粒间距稳定的交错分布的颗粒链：其中一排固体颗粒中的固体颗粒以相同间距或者规律间距地间隔分布，另一排固体颗粒中的固体颗粒沿流向以连续的几个相靠近聚集为一组而形成不同组，组之间间隔分布，组内的固体颗粒以相同间距或者规律间距地间隔分布。
当调节压力源的驱动压力使得雷诺数为120且调节颗粒直径使得阻塞率为0.125～0.4时，形成以下颗粒间距稳定的交错分布的颗粒链：两排固体颗粒中的固体颗粒沿流向以连续的几个相靠近聚集为一组而形成不同组，组之间间隔分布，组内的固体颗粒以相同间距或者规律间距地间隔分布；
并且相邻两固体颗粒的间距为正弦变化，间距变化随雷诺数的增加而增加，相邻两固体颗粒的间距随下游流向越远而越大。
本发明选择微流控芯片的直通道为牛顿流体和固体颗粒运动的场所，驱动压力的压力源通常采用压力泵或注射泵，微通道入口段用压力驱动，将牛顿流体先注满微流控芯片的直通道。
本发明比较相邻两固体颗粒的间距随固体颗粒沿流向位移的变化，获得了固体颗粒间距能达到均匀稳定时所对应驱动压力产生的情形。
基于上述技术方案，本发明实施例至少可以产生如下技术效果：
本发明仅控制驱动压力和固体颗粒直径，无需其他外力条件下，固体颗粒在简单的微流控芯片的直通道中就能运动到指定位置，得到均匀稳定的颗粒间距，达到对颗粒位置准确定位的目的，极大地提高了流固两相输运中颗粒定位的精度和效率，可以用于极大的提高了细胞仪对细胞检测的精度，提高效率和节约成本，为在微流控芯片上实现高效计数、分离提供了简单有效的方法。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，其中：
图1是并排的颗粒在直管中注入过程示意图；图中，1、微流控芯片的微通道；2、液相牛顿流体；3、固体颗粒；4、压力源。
图2是雷诺数14，阻塞率0.125时，牛顿流体中颗粒间距随位移的变化；
图3是雷诺数14，阻塞率0.2时，牛顿流体中颗粒间距随位移的变化；
图4是雷诺数14，阻塞率0.3时，牛顿流体中颗粒间距随位移的变化；
图5是雷诺数14，阻塞率0.4时，牛顿流体中颗粒间距随位移的变化；
图6是雷诺数82，阻塞率0.125时，牛顿流体中颗粒间距随位移的变化；
图7是雷诺数82，阻塞率0.2时，牛顿流体中颗粒间距随位移的变化；
图8是雷诺数82，阻塞率0.3时，牛顿流体中颗粒间距随位移的变化；
图9是雷诺数82，阻塞率0.4时，牛顿流体中颗粒间距随位移的变化；
图10是雷诺数120，阻塞率0.125时，牛顿流体中颗粒间距随位移的变化；
图11是雷诺数120，阻塞率0.2时，牛顿流体中颗粒间距随位移的变化；
图12是雷诺数120，阻塞率0.3时，牛顿流体中颗粒间距随位移的变化；
图13是雷诺数120，阻塞率0.4时，牛顿流体中颗粒间距随位移的变化；
图14是相邻两固体颗粒的间距随雷诺数和阻塞率的变化。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案做进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
本发明保护一种流固两相输运中颗粒定位的方法，该方法以微流控芯片中的直通道内的固液两相流为研究对象，通过调整驱动压力和固体颗粒直径，圆形固体颗粒在微通道只受流场作用，无其他外力时，就能自动运动到确定位置，形成均匀颗粒间距的颗粒链，提高了流固两相输运中颗粒定位的精度和效率，有利于细胞检测仪对细胞及颗粒的检测计量。
本发明的具体实施例如下：
具体实施通过格子玻尔兹曼方法，模拟计算中通过驱动压力4将牛顿流体2注满微流控芯片的直通道1中，圆形固体颗粒3并排在微流控芯片的直通道1中线两侧相同高度的入口处，在入口段驱动压力4作用下逐排注入到微流控芯片的直通道1内，在给定的驱动压力4作用下，固体颗粒3在驱动压力4引起的惯性作用向下游运动时，固体颗粒3都均匀分布在微流控芯片的直通道1的壁面附近，固体颗粒3自动形成颗粒间距稳定、位置确定的交错分布颗粒链。
如图1并排的颗粒在直管中注入过程示意图所示。微流控芯片的直通道1的高度为H，长度为L。微流控芯片的直通道1中的流体为牛顿流体3，微流控芯片的直通道1的入口处给予驱动压力4，使牛顿流体2和固体颗粒3运动，初始时刻圆形的固体颗粒3在微流控芯片的直通道1的中线两侧，离微流控芯片的直通道1上下壁面无量纲高度(h/H)分别为0.25和0.75的位置处，从入口静止释放，相邻的固体颗粒3的间距W为两倍的固体颗粒3直径。在驱动压力4作用和固体颗粒3间相互作用下，固体颗粒3都均匀分布在微流控芯片的直通道1的壁面附近，固体颗粒3自动形成颗粒间距稳定、位置确定的交错分布的颗粒链。数值模拟计算中取固体颗粒3位置的无量纲高度y/H，固体颗粒3流向的无量纲运动长度x/H，相邻两固体颗粒3的无量纲颗粒间距dp/D，微流控芯片的直通道1中线以上的固体颗粒3从右向左依次命名为Pu1，Pu2，Pu3，Pu4，Pu5，Pu6，微流控芯片的直通道1中线以下的固体颗粒3从右向左依次命名为Pd1，Pd2，Pd3，Pd4，Pd5，Pd6，无量纲颗粒间距依次为dd1-u1,du1-d2,…,dd6-u6。
具体实施例1
通过格子玻尔兹曼方法模拟计算的结果如图2，计算时调整驱动压力4和固体颗粒3的直径，使流场的雷诺数(Re)为14，固体颗粒3的阻塞率(k)为0.125，得到牛顿流体2中相邻固体颗粒3的间距随固体颗粒3位移的变化；固体颗粒3在牛顿流体2中分别往靠近固体颗粒3的微流控芯片的直通道1的壁面方向运动，颗粒分布如图2的插图所示，相邻两固体颗粒3的间距起初会波动，但最终大部分固体颗粒3形成了均匀稳定间距的交错分布颗粒链，只有小部分固体颗粒3间距略大，但交错分布颗粒链结构清晰。
具体实施例2
通过格子玻尔兹曼方法模拟计算的结果如图3，计算时调整驱动压力4和固体颗粒3的直径，使流场的雷诺数(Re)为14，固体颗粒3的阻塞率(k)为0.2，得到牛顿流体2中相邻固体颗粒3的间距随固体颗粒3位移的变化；固体颗粒3在牛顿流体2中分别往靠近固体颗粒3的微流控芯片的直通道1的壁面方向运动，颗粒分布如图3的插图所示，相邻两固体颗粒3的间距起初会波动，但固体颗粒3很快形成了均匀稳定间距的交错分布颗粒链，而且相邻两固体颗粒3的间距波动幅度比相同条件时阻塞率为0.125时低。
具体实施例3
通过格子玻尔兹曼方法模拟计算的结果如图4，计算时调整驱动压力4和固体颗粒3的直径，使流场的雷诺数(Re)为14，固体颗粒3的阻塞率(k)为0.3，得到牛顿流体2中相邻固体颗粒3的间距随固体颗粒3位移的变化；固体颗粒3在牛顿流体2中分别往靠近固体颗粒3的微流控芯片的直通道1的壁面方向运动，颗粒分布如图4的插图所示，相邻两固体颗粒3的间距起初会波动，但固体颗粒3很快形成了均匀稳定间距的交错分布颗粒链，而且相邻两固体颗粒3的间距波动幅度比相同条件时阻塞率为0.125时低。
具体实施例4
通过格子玻尔兹曼方法模拟计算固体颗粒3的运动过程如图5，计算时调整驱动压力4和固体颗粒3的直径，使流场的雷诺数(Re)为14，固体颗粒3的阻塞率(k)为0.4，得到牛顿流体2中相邻固体颗粒3的间距随固体颗粒3位移的变化；固体颗粒3在牛顿流体2中分别往靠近固体颗粒3的微流控芯片的直通道1的壁面方向运动，相邻两固体颗粒3的间距在该雷诺数时，出现无规律性，固体颗粒3稳定的交错分布结构消失，此时颗粒间相互作用大于流场驱动压力4，其起到了主导作用，所以固体颗粒3的稳定交错结构消失。
具体实施例5
通过格子玻尔兹曼方法模拟计算的结果如图6，计算时调整驱动压力4和固体颗粒3的直径，使流场的雷诺数(Re)为82，固体颗粒3的阻塞率(k)为0.125，得到牛顿流体2中相邻固体颗粒3的间距随固体颗粒3位移的变化；固体颗粒3在牛顿流体2中分别往靠近固体颗粒3的微流控芯片的直通道1的壁面方向运动，颗粒分布如图6的插图所示，相邻两固体颗粒3的间距出现大幅度波动，但最终固体颗粒3形成了均匀稳定间距的交错分布颗粒链。
具体实施例6
通过格子玻尔兹曼方法模拟计算的结果如图7，计算时调整驱动压力4和固体颗粒3的直径，使流场的雷诺数(Re)为82，固体颗粒3的阻塞率(k)为0.2，得到牛顿流体2中相邻固体颗粒3的间距随固体颗粒3位移的变化；固体颗粒3在牛顿流体2中分别往靠近固体颗粒3的微流控芯片的直通道1的壁面方向运动，颗粒分布如图7的插图所示。相邻两固体颗粒3的间距在一定范围内出现正弦形状的波动，波动幅度随雷诺数的增加而增加，但此时固体颗粒3仍然能形成交错分布颗粒链，而且相邻两固体颗粒3的间距波动幅度比相同条件时阻塞率为0.125时低。
具体实施例7
通过格子玻尔兹曼方法模拟计算的结果如图8，计算时调整驱动压力4和固体颗粒3的直径，使流场的雷诺数(Re)为82，固体颗粒3的阻塞率(k)为0.3，得到牛顿流体2中相邻固体颗粒3的间距随固体颗粒3位移的变化；固体颗粒3在牛顿流体2中分别往靠近固体颗粒3的微流控芯片的直通道1的壁面方向运动，颗粒分布如图8的插图所示。相邻两固体颗粒3的间距在一定范围内出现正弦形状的波动，波动幅度随雷诺数的增加而增加，但此时固体颗粒3仍然能形成交错分布颗粒链，而且相邻两固体颗粒3的间距波动幅度比相同条件时阻塞率为0.2时进一步降低。
具体实施例8
通过格子玻尔兹曼方法模拟计算的结果如图9，计算时调整驱动压力4和固体颗粒3的直径，使流场的雷诺数(Re)为82，固体颗粒3的阻塞率(k)为0.4，得到牛顿流体2中相邻固体颗粒3的间距随固体颗粒3位移的变化；固体颗粒3在牛顿流体2中分别往靠近固体颗粒3的微流控芯片的直通道1的壁面方向运动，颗粒分布如图9的插图所示。相邻两固体颗粒3的间距波动幅度随雷诺数的增加而增加，但随着阻塞率的增加，颗粒间距最终趋于稳定，形成稳定交错分布颗粒链，而且相邻两固体颗粒3的间距波动幅度比相同条件时阻塞率为0.3时进一步降低。
具体实施例9
通过格子玻尔兹曼方法模拟计算的结果如图10，计算时调整驱动压力4和固体颗粒3的直径，使流场的雷诺数(Re)为120，固体颗粒3的阻塞率(k)为0.125，得到牛顿流体2中相邻固体颗粒3的间距随固体颗粒3位移的变化；固体颗粒3在牛顿流体2中分别往靠近固体颗粒3的微流控芯片的直通道1的壁面方向运动，颗粒分布如图10的插图所示，相邻两固体颗粒3的间距波动幅度进一步增加，此时均匀稳定间距的交错分布颗粒链不再明显。
具体实施例10
通过格子玻尔兹曼方法模拟计算的结果如图11，计算时调整驱动压力4和固体颗粒3的直径，使流场的雷诺数(Re)为120，固体颗粒3的阻塞率(k)为0.2，得到牛顿流体2中相邻固体颗粒3的间距随固体颗粒3位移的变化；固体颗粒3在牛顿流体2中分别往靠近固体颗粒3的微流控芯片的直通道1的壁面方向运动，颗粒分布如图11的插图所示，相邻两固体颗粒3的间距波动幅度比相同条件时阻塞率为0.125时进一步降低，但固体颗粒3形成交错分布颗粒链依然不明显。
具体实施例11
通过格子玻尔兹曼方法模拟计算的结果如图12，计算时调整驱动压力4和固体颗粒3的直径，使流场的雷诺数(Re)为120，固体颗粒3的阻塞率(k)为0.3，得到牛顿流体2中相邻固体颗粒3的间距随固体颗粒3位移的变化；固体颗粒3在牛顿流体2中分别往靠近固体颗粒3的微流控芯片的直通道1的壁面方向运动，颗粒分布如图12的插图所示，相邻两固体颗粒3的间距在一定范围内出现正弦形状的波动，波动幅度随雷诺数的增加而增加，但此时固体颗粒3仍然形成了交错分布颗粒链，而且相邻两固体颗粒3的间距波动幅度比相同条件时阻塞率为0.125和0.2时低。
具体实施例12
通过格子玻尔兹曼方法模拟计算的结果如图13，计算时调整驱动压力4和固体颗粒3的直径，使流场的雷诺数(Re)为120，固体颗粒3的阻塞率(k)为0.4，得到牛顿流体2中相邻固体颗粒3的间距随固体颗粒3位移的变化；固体颗粒3在牛顿流体2中分别往靠近固体颗粒3的微流控芯片的直通道1的壁面方向运动，颗粒分布如图13的插图所示，相邻两固体颗粒3的间距出现了正弦形状的波动，波动幅度随雷诺数的增加而增加，但此时固体颗粒3仍然形成了交错分布颗粒链。
本发明专利将固体颗粒3在不同的雷诺数和阻塞率时的间距进行比较，结果如图14所示，颗粒间距随着阻塞率的增加而降低，随雷诺数的增加而增加，而且综合比较具体实施例1-8，可以得到，在低雷诺数时，固体颗粒3的颗粒间距稳定，当雷诺数增加到82和120时，固体颗粒3间距的波动幅度大幅度增加，固体颗粒3间距不再稳定。
此时增加固体颗粒3的直径，使阻塞率增加，固体颗粒3的间距波动幅度稳定到固定范围内。为了达到稳定的颗粒间距，优选出固体颗粒的阻塞率为0.125-0.4时，颗粒间距能达到均匀稳定时所对应驱动压力4产生的雷诺数为14-82。所以可以通过调整驱动压力4和固体颗粒3的直径，得到位置和间距确定的颗粒链，有利于提高细胞仪对颗粒定位和检测的精度。
Claims (10)
1.一种流固两相输运中颗粒定位的方法，其特征在于：在微流控芯片的微通道(1)内，微通道(1)的入口端连接压力源(4)，用压力源(4)从入口端将微通道(1)注入充满液相牛顿流体(2)，将两排固体颗粒(3)并排放置在微通道的入口端，且位于微通道的流向中线对称的两侧，两排固体颗粒(3)在入口段驱动压力作用下均逐颗注入到微流控芯片的微通道内，固体颗粒的初始注入速度为0，两排固体颗粒中保持流向注入的相邻两颗固体颗粒的间隙/距离相同；调节压力源的驱动压力和颗粒直径，使得两排固体颗粒分别均匀分布在微流控芯片的微通道两排内壁的壁面附近，形成颗粒间距稳定的交错分布的颗粒链。
2.根据权利要求1所述的一种流固两相输运中颗粒定位的方法，其特征在于：所述的微通道为直通道。
3.根据权利要求1所述的一种流固两相输运中颗粒定位的方法，其特征在于：所述的颗粒间距稳定的交错分布的颗粒链，是指两排固体颗粒的各颗固体颗粒在流动方向交错交替分布，并且：
其中一排固体颗粒中的固体颗粒以相同间距或者规律间距地间隔分布，另一排固体颗粒中的固体颗粒沿流向以连续的几个相靠近聚集为一组而形成不同组，组之间间隔分布，组内的固体颗粒以相同间距或者规律间距地间隔分布；
或者是，两排固体颗粒中的固体颗粒均以相同间距或者规律间距地间隔分布；
或者是，两排固体颗粒中的固体颗粒沿流向以连续的几个相靠近聚集为一组而形成不同组，组之间间隔分布，组内的固体颗粒以相同间距或者规律间距地间隔分布。
4.根据权利要求1所述的一种流固两相输运中颗粒定位的方法，其特征在于：所述的液相牛顿流体为水或甘油之类。
5.根据权利要求1所述的一种流固两相输运中颗粒定位的方法，其特征在于：选择圆形固体颗粒作为固体相，且固体颗粒(3)密度与液相牛顿流体(2)的密度相等。
6.根据权利要求1所述的一种流固两相输运中颗粒定位的方法，其特征在于：所述的压力源采用压力泵或注射泵。
7.根据权利要求1所述的一种流固两相输运中颗粒定位的方法，其特征在于：所述的调节压力源的驱动压力和颗粒直径，具体是：调节压力源的驱动压力使得雷诺数为14、82～120，调节颗粒直径使得阻塞率为0.125～0.4，使得固体颗粒间的间距能达到均匀稳定，形成固定的颗粒链。
8.根据权利要求3所述的一种流固两相输运中颗粒定位的方法，其特征在于：当调节压力源的驱动压力使得雷诺数为14且调节颗粒直径使得阻塞率为0.125～0.3时，形成以下颗粒间距稳定的交错分布的颗粒链：其中一排固体颗粒中的固体颗粒以相同间距或者规律间距地间隔分布，另一排固体颗粒中的固体颗粒沿流向以连续的几个相靠近聚集为一组而形成不同组，组之间间隔分布，组内的固体颗粒以相同间距或者规律间距地间隔分布。
9.根据权利要求3所述的一种流固两相输运中颗粒定位的方法，其特征在于：当调节压力源的驱动压力使得雷诺数为82且调节颗粒直径使得阻塞率为0.2～0.3时，形成以下颗粒间距稳定的交错分布的颗粒链：其中一排固体颗粒中的固体颗粒以相同间距或者规律间距地间隔分布，另一排固体颗粒中的固体颗粒沿流向以连续的几个相靠近聚集为一组而形成不同组，组之间间隔分布，组内的固体颗粒以相同间距或者规律间距地间隔分布。
10.根据权利要求3所述的一种流固两相输运中颗粒定位的方法，其特征在于：当调节压力源的驱动压力使得雷诺数为120且调节颗粒直径使得阻塞率为0.125～0.4时，形成以下颗粒间距稳定的交错分布的颗粒链：两排固体颗粒中的固体颗粒沿流向以连续的几个相靠近聚集为一组而形成不同组，组之间间隔分布，组内的固体颗粒以相同间距或者规律间距地间隔分布；并且相邻两固体颗粒(3)的间距为正弦变化，间距变化随雷诺数的增加而增加，相邻两固体颗粒(3)的间距随下游流向越远而越大。
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