CN113769797A - 一种流固两相输运中的微尺度颗粒直径测定的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种流固两相输运中的微尺度颗粒直径测定的方法。包括：配制多分散体系粘弹性流体；用压力源从入口端将最终的多分散体系粘弹性流体注入微通道内；调节微通道内流场的雷诺数和流体的弹性数，调节颗粒直径，使得颗粒在微通道出口端的中线位置形成颗粒链，通过颗粒链的结构和颗粒所在位置，实现不同颗粒直径的测定。本发明通过多分散体系颗粒在聚乙烯吡咯烷酮粘弹性流体管道中的迁移，使得不同直径的微尺度颗粒在微通道中形成颗粒直径沿流向依次增大的或者颗粒之间均匀稳定间距分布的颗粒链，从而对微颗粒的位置准确定位和直径的快速测量，极大地提高了流固两相输运中微颗粒定位和直径测量的精度和效率。
Description
技术领域
本发明属于微流控芯片中固液两相流领域的一种颗粒直径测定的方法，特别涉及一种流固两相输运中的微尺度颗粒直径测定的方法。
背景技术
非牛顿流体中颗粒迁移是微流控分析系统中一种重要的分离技术，非牛顿流体微流控芯片技术可用于快速高效的将颗粒和细胞类物质聚集到管道的中间和截面的角落，达到分离和筛选颗粒和细胞类物质的目的。但由于在微尺度下，颗粒的尺度较小，颗粒的直径测量较为困难，以往多需要采用复杂的分析手段才能实现颗粒直径的测量。如何在简单的直通道中将颗粒的直径进行简单快速高效的测量，将提高微尺度颗粒标定的准确度和效率。因此，研究微尺度通道的粘弹性流体中，微尺度的颗粒直径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的微尺度颗粒直径测定的方法，根据聚乙烯吡咯烷酮粘弹性流体的粘弹性作用，将微流控芯片中多分散体系颗粒聚集到微通道的中线，并形成彼此相互接触的颗粒链状结构，其中大颗粒在前，小颗粒在后，可用于快速的测量微尺寸颗粒的直径，提高了微颗粒直径测定的精度和效率。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
本发明包括以下步骤：
1)配制多分散体系粘弹性流体：将去离子水与甘油按质量分数77：23的比例混合，获得去离子水和甘油的混合液，接着将聚乙烯吡咯烷酮粉末加入去离子水和甘油的混合液中，获得聚乙烯吡咯烷酮粘弹性流体；再往聚乙烯吡咯烷酮粘弹性流体中加入多分散体系颗粒，使得聚乙烯吡咯烷酮粘弹性流体的密度与颗粒的密度相同，获得多分散体系粘弹性流体，最后往多分散体系粘弹性流体中加入聚乙烯吡咯烷酮粘弹性流体进行浓度的稀释，获得最终的多分散体系粘弹性流体；
2)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最终的多分散体系粘弹性流体注入微通道内，使得最终的多分散体系粘弹性流体均匀分布在微通道的入口端；
3)调节压力源的驱动压力和聚乙烯吡咯烷酮粘弹性流体的流变性质，使得微通道内流场的雷诺数Re为1-50(Re＝2ρQ/(μ0(W+H)，ρ为粘弹性流体的密度，Q为压力驱动时的流体流量，H、W分别为微通道的高度和宽度，μ0为粘弹性流体的粘度)和流体的弹性数Wi为1-3，流体的弹性数即流体的维森博格数，Wi＝2λQ/(HW2)，λ为粘弹性流体的弛豫时间。调节多分散体系粘弹性流体中颗粒直径，所有颗粒受固定的驱动压力所引起的惯性、粘弹性流体的粘弹性作用和相邻颗粒相互靠近时的排斥力作用而沿流向向微通道下游运动，使得颗粒在微通道出口端的中线位置形成颗粒直径沿流向依次增大的颗粒链，即大颗粒在前、小颗粒在后，或者形成颗粒之间均匀稳定间距分布的颗粒链，通过颗粒链的结构和颗粒所在位置，实现不同颗粒直径的测定。
所述多分散体系颗粒为微米尺度的固体球形颗粒组成，固体球形颗粒的直径不均匀，颗粒直径范围为10-30μm。
所述微通道为方形截面的直通道。
所述的压力源采用压力泵或注射泵。
所述的颗粒直径沿流向依次增大的颗粒链具体为：
颗粒之间均匀稳定间距分布的颗粒链；
或者是相邻颗粒之间相互接触并且颗粒直径沿流向依次增大的颗粒链，颗粒链中各个颗粒圆心的连线为直线；
或者是相邻颗粒之间相互接触并且颗粒直径沿流向依次增大的颗粒链，颗粒链中各个颗粒圆心的连线为折线；
或者是颗粒直径沿流向依次增大的颗粒链，颗粒链中各个颗粒圆心的连线为折线，前一部分的相邻颗粒之间相互接触，即在前的大颗粒之间相互接触，后一部分的相邻颗粒远离微通道出口端的中线位置，后一部分的相邻颗粒之间相互不接触，颗粒间距变化不稳定，即在后的小颗粒之间的间距不再稳定。
当调节多分散体系粘弹性流体中颗粒直径使得阻塞率k(k＝D/H，D为颗粒的直径。)相同时，形成颗粒之间均匀稳定间距分布的颗粒链。
当调节多分散体系粘弹性流体中颗粒直径，使得直径最大的颗粒阻塞率与最小直径颗粒的阻塞率相差0.02-0.06时，形成相邻颗粒之间相互接触并且颗粒直径沿流向依次增大的颗粒链，颗粒链中各个颗粒圆心的连线为直线。
当调节多分散体系粘弹性流体中颗粒直径，使得直径最大的颗粒阻塞率与最小直径颗粒的阻塞率相差0.08-0.1时，形成相邻颗粒之间相互接触并且颗粒直径沿流向依次增大的颗粒链，颗粒链中各个颗粒圆心的连线为折线。
当调节多分散体系粘弹性流体中颗粒直径，使得直径最大的颗粒阻塞率与最小直径颗粒的阻塞率相差0.15-0.2时，形成颗粒直径沿流向依次增大的颗粒链，颗粒链中各个颗粒圆心的连线为折线，前一部分的相邻颗粒之间相互接触，即在前的大颗粒之间相互接触，后一部分的相邻颗粒远离微通道出口端的中线位置，后一部分的相邻颗粒之间相互不接触，颗粒间距变化不稳定，即在后的小颗粒之间的间距不再稳定。
基于上述技术方案，本发明的有益效果如下：
整个微流控芯片的结构简单，可以通过多分散体系颗粒在聚乙烯吡咯烷酮粘弹性流体方形管道中的迁移，通过控制流体的流变性质、驱动压力和固体颗粒直径，无需其他外力条件下，不同直径的微尺度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。在微通道中形成颗粒彼此分离且间距均匀的颗粒链，或者自组织形成彼此相互接触的颗粒链状结构，且颗粒链中的微颗粒粒径递减，即大颗粒在前，小颗粒在后的链状结构。形成的颗粒结构可以稳定的保持在通道中线，不受壁面影响。通过比较在通道中形成的颗粒结构不同，可以快速得到颗粒的直径，达到对微颗粒的位置准确定位和直径快速测量的目的，极大地提高了流固两相输运中微颗粒定位和直径测量的精度和效率，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是多分散体系颗粒在微通道中运动形成颗粒彼此接触的颗粒链的示意图；
图中：1、多分散体系颗粒；2、聚乙烯吡咯烷酮粘弹性流体；3、压力源；4、微流控芯片的微通道；5、大颗粒在前、小颗粒在后的颗粒链。
图2是流场的雷诺数为1、流体的弹性数为1，颗粒的阻塞率分别为0.3，0.3，0.3，0.3，0.3时，聚乙烯吡咯烷酮粘弹性流体中形成颗粒链的过程；
图3是流场的雷诺数为1、流体的弹性数为1，颗粒的阻塞率分别为0.3，0.295，0.29，0.285，0.28时，聚乙烯吡咯烷酮粘弹性流体中形成颗粒链的过程；
图4是流场的雷诺数为1、流体的弹性数为1，颗粒的阻塞率分别为0.3，0.29，0.28，0.27，0.26时，聚乙烯吡咯烷酮粘弹性流体中形成颗粒链的过程；
图5是流场的雷诺数为1、流体的弹性数为1，颗粒的阻塞率分别为0.3，0.285，0.27，0.255，0.24时，聚乙烯吡咯烷酮粘弹性流体中形成颗粒链的过程；
图6是流场的雷诺数为1、流体的弹性数为1，颗粒的阻塞率分别为0.3，0.28，0.26，0.24，0.22时，聚乙烯吡咯烷酮粘弹性流体中形成颗粒链的过程；
图7是流场的雷诺数为1、流体的弹性数为1，颗粒的阻塞率分别为0.3，0.25，0.24，0.22，0.20时，聚乙烯吡咯烷酮粘弹性流体中形成颗粒链的过程；
图8是流场的雷诺数为1、流体的弹性数为1，颗粒的阻塞率分别为0.3，0.25，0.20，0.175，0.15时，聚乙烯吡咯烷酮粘弹性流体中形成颗粒链的过程；
图9是流场的雷诺数为1、流体的弹性数为1，颗粒的阻塞率分别为0.3，0.25，0.20，0.15，0.10时，聚乙烯吡咯烷酮粘弹性流体中形成颗粒链的过程；
图10是流场的雷诺数为50、流体的弹性数为1，颗粒的阻塞率分别为0.3，0.25，0.24，0.22，0.20时，聚乙烯吡咯烷酮粘弹性流体中形成颗粒链的过程；
图11是流场的雷诺数为1、流体的弹性数为3，颗粒的阻塞率分别为0.3，0.25，0.24，0.22，0.20时，聚乙烯吡咯烷酮粘弹性流体中形成颗粒链的过程；
图12是流场的雷诺数为1、流体的弹性数为0，颗粒的阻塞率分别为0.3，0.25，0.24，0.22，0.20时，聚乙烯吡咯烷酮粘弹性流体中形成颗粒链的过程；
图13是流场的雷诺数为1、流体的弹性数为0.01，颗粒的阻塞率分别为0.3，0.25，0.24，0.22，0.20时，聚乙烯吡咯烷酮粘弹性流体中形成颗粒链的过程；
图14是流场的雷诺数为0.01、流体的弹性数为1，颗粒的阻塞率分别为0.3，0.25，0.24，0.22，0.20时，聚乙烯吡咯烷酮粘弹性流体中形成颗粒链的过程。
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微颗粒直径测定的方法，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，通过调整流体的粘弹性流变性质和固体颗粒直径，微尺寸的多分散固体球形颗粒在微通道中受到流体的惯性作用和弹性作用，无需其他外力时，就能够自动运动到管道的中间，并在管道中间形成颗粒彼此分离，均匀间距的颗粒链，或者颗粒相互接触的长直颗粒链，其中大颗粒在颗粒链的前段，小颗粒在颗粒链的尾部。比较相邻两个颗粒的间距随固体颗粒沿流向位移的变化，比较微通道中不同直径的颗粒迁移到管道中线后形成的颗粒链，获得了固体颗粒彼此接触和分离的不同情形，达到微尺度颗粒直径的快速筛选的目的。通过本发明可以提高流固两相输运中微颗粒直径测定的精度和效率，有利于细胞检测仪对细胞及颗粒的检测计量。
方法包括以下步骤：
1)配制多分散体系粘弹性流体：将去离子水与甘油按质量分数77：23的比例混合，获得去离子水和甘油的混合液，接着将聚乙烯吡咯烷酮粉末加入去离子水和甘油的混合液中，具体实施中，聚乙烯吡咯烷酮粉末的分子量为Mw＝360kDa，获得浓度为5％的聚乙烯吡咯烷酮粘弹性流体2；再往聚乙烯吡咯烷酮粘弹性流体2中加入多分散体系颗粒1，使得聚乙烯吡咯烷酮粘弹性流体的密度与颗粒的密度相同，都为1.05g/cm3，获得多分散体系粘弹性流体，多分散体系粘弹性流体为中性悬浮溶液，最后往多分散体系粘弹性流体中加入聚乙烯吡咯烷酮粘弹性流体2进行浓度的稀释，获得浓度为0.35％最终的多分散体系粘弹性流体；其中，多分散体系颗粒为微米尺度的固体球形颗粒组成，固体球形颗粒的直径不均匀，颗粒直径范围为10-30μm。
2)在微流控芯片的微通道4内，微通道为方形截面的直通道，即H＝W，具体实施中均为100μm。微通道的入口端连接压力源3，压力源采用压力泵或注射泵。用压力源3从入口端将最终的多分散体系粘弹性流体注入微通道内，使得最终的多分散体系粘弹性流体均匀分布在微通道的入口端；
3)调节压力源3的驱动压力和聚乙烯吡咯烷酮粘弹性流体2的流变性质，使得微通道内流场的雷诺数Re为1-50(Re＝2ρQ/(μ0(W+H)，ρ为粘弹性流体的密度，Q为压力驱动时的流体流量，H、W分别为微通道的高度和宽度，μ0为粘弹性流体的粘度)和流体的弹性数Wi为1-3，流体的弹性数即流体的维森博格数，Wi＝2λQ/(HW2)，λ为粘弹性流体的弛豫时间。具体实施中，通过调节聚乙烯吡咯烷酮粉末在乙烯吡咯烷酮粘弹性流体2中的浓度调节聚乙烯吡咯烷酮粘弹性流体2的流变性质，浓度越大，粘弹性流体的弛豫时间越长，则粘弹性流体的弹性数则越大。调节多分散体系粘弹性流体中颗粒直径，所有颗粒受固定的驱动压力所引起的惯性、粘弹性流体的粘弹性作用和相邻颗粒相互靠近时的排斥力作用而沿流向向微通道下游运动，其中颗粒受固定的驱动压力所引起的惯性由流场的雷诺数决定，流体的粘弹性作用由流体的弹性数决定，使得颗粒在微通道出口端的中线位置形成颗粒直径沿流向依次增大的颗粒链，即大颗粒在前、小颗粒在后，通过颗粒链的结构和颗粒所在位置，实现不同颗粒直径的测定。
本发明的具体实施例如下：
具体实施中，通过虚拟区域方法，直接数值模拟计算了在微流控芯片的微通道4中，通过驱动压力源3将聚乙烯吡咯烷酮粘弹性流体2注满微流控芯片的微通道4中，多分散体系颗粒1的密度与液相聚乙烯吡咯烷酮粘弹性流体密度一样，初始多分散体系颗粒随机分布在微流控芯片的微通道4中，在微流控芯片的微通道4的入口段驱动压力源3作用下注入到微流控芯片的微通道4内，在给定的驱动压力源3作用下，多分散体系颗粒1在驱动压力源3引起的惯性力，以及聚乙烯吡咯烷酮粘弹性流体2的弹性力作用和相邻颗粒相互靠近时的排斥力作用而向下游运动时，多分散体系颗粒1都迁移到微流控芯片的微通道4的中间，并形成大颗粒在前、小颗粒在后的颗粒链5。
如图1多分散体系颗粒在微通道中运动形成颗粒彼此接触的颗粒链的示意图所示。微流控芯片的微通道4的截面宽度和高度都为H，微流控芯片的微通道4的长度为L。微流控芯片的微通道4中的流体为聚乙烯吡咯烷酮粘弹性流体2，微流控芯片的微通道4的入口处给予驱动压力源3，使聚乙烯吡咯烷酮粘弹性流体2和多分散体系颗粒1运动，初始时刻多分散体系颗粒1在微流控芯片的微通道4中随机分布。多分散体系颗粒1在驱动压力源3引起的惯性力，以及聚乙烯吡咯烷酮粘弹性流体2的弹性力作用和相邻颗粒相互靠近时的排斥力作用而向下游运动时，并形成大颗粒在前、小颗粒在后的颗粒链5。大颗粒在前、小颗粒在后的颗粒链5稳定，位置固定在微流控芯片的微通道4中线，有利于观测多分散体系颗粒1的直径和位置。
数值模拟计算中取多分散体系颗粒1流向的无量纲运动长度x/H，相邻两个多分散体系颗粒1的无量纲颗粒表面间距ds，微流控芯片的微通道4形成的大颗粒在前、小颗粒在后的颗粒链5的颗粒直径从右向左依次命名为D1,D2,D3,D4,D5，多分散体系颗粒1从右向左依次命名为P1，P2，P3，P4，P5，所以形成多分散体系颗粒1在微流控芯片的微通道4中运动后形成的大颗粒在前、小颗粒在后的颗粒链5中的颗粒间距变化表示为PD1-PD2，PD2-PD3，PD3-PD4，PD4-PD5。
具体实施例1
具体实施通过虚拟区域方法，直接数值模拟的结果如图2所示，计算时调整压力源3使流场的雷诺数(Re)为1，调整聚乙烯吡咯烷酮粘弹性流体2的流变性质，使流场的维森博格数(Wi)为1，调整多分散体系颗粒1的阻塞率都为0.3。初始多分散体系颗粒随机分布在微流控芯片的微通道4中，多分散体系颗粒在驱动压力源3引起的惯性力，以及聚乙烯吡咯烷酮粘弹性流体2的弹性力作用和相邻颗粒相互靠近时的排斥力作用而向下游运动时，多分散体系颗粒都迁移到微流控芯片的微通道4出口端的中线位置，颗粒的运动过程中相邻颗粒间距如图2所示，多分散体系颗粒1的分布如图2的插图所示，形成颗粒之间均匀稳定间距分布的颗粒链。
具体实施例2
具体实施通过虚拟区域方法，直接数值模拟的结果如图3所示，计算时调整压力源3使流场的雷诺数(Re)为1，调整聚乙烯吡咯烷酮粘弹性流体2的流变性质，使流场的维森博格数(Wi)为1，调整多分散体系颗粒1的阻塞率分别为0.3，0.295，0.29，0.285，0.28。初始多分散体系颗粒随机分布在微流控芯片的微通道4中，多分散体系颗粒1在驱动压力源3引起的惯性力，以及聚乙烯吡咯烷酮粘弹性流体2的弹性力作用和相邻颗粒相互靠近时的排斥力作用而向下游运动时，多分散体系颗粒1都迁移到微流控芯片的微通道4出口端的中线位置，颗粒的运动过程中相邻颗粒间距如图3所示，多分散体系颗粒1的分布如图3的插图所示，不能形成了均匀稳定间距的颗粒链，而形成了大颗粒在前、小颗粒在后的颗粒链5，相邻颗粒之间相互接触，颗粒链中各个颗粒圆心的连线为直线。
具体实施例3
具体实施通过虚拟区域方法，直接数值模拟的结果如图4所示，计算时调整压力源3使流场的雷诺数(Re)为1，调整聚乙烯吡咯烷酮粘弹性流体2的流变性质，使流场的维森博格数(Wi)为1，调整多分散体系颗粒1的阻塞率为0.3，0.29，0.28，0.27，0.26。初始多分散体系颗粒随机分布在微流控芯片的微通道4中，多分散体系颗粒1在驱动压力源3引起的惯性力，以及聚乙烯吡咯烷酮粘弹性流体2的弹性力作用和相邻颗粒相互靠近时的排斥力作用而向下游运动时，多分散体系颗粒1都迁移到微流控芯片的微通道4出口端的中线位置，多分散体系颗粒1的运动过程中相邻颗粒间距如图4所示，多分散体系颗粒1的分布如图4的插图所示，不能形成了均匀稳定间距的颗粒链，而依然形成了大颗粒在前、小颗粒在后的颗粒链5，相邻颗粒之间相互接触，颗粒链中各个颗粒圆心的连线为直线。
具体实施例4
具体实施通过虚拟区域方法，直接数值模拟的结果如图5所示，计算时调整压力源3使流场的雷诺数(Re)为1，调整聚乙烯吡咯烷酮粘弹性流体2的流变性质，使流场的维森博格数(Wi)为1，调整多分散体系颗粒1的阻塞率为0.3，0.285，0.27，0.255，0.24。初始多分散体系颗粒随机分布在微流控芯片的微通道4中，多分散体系颗粒1在驱动压力源3引起的惯性力，以及聚乙烯吡咯烷酮粘弹性流体2的弹性力作用和相邻颗粒相互靠近时的排斥力作用而向下游运动时，多分散体系颗粒1都迁移到微流控芯片的微通道4出口端的中线位置，多分散体系颗粒1的运动过程中相邻颗粒间距如图5所示，多分散体系颗粒1的分布如图5的插图所示，不能形成了均匀稳定间距的颗粒链，而依然形成了大颗粒在前、小颗粒在后的颗粒链5，相邻颗粒之间相互接触，颗粒链中各个颗粒圆心的连线为直线。
具体实施例5
具体实施通过虚拟区域方法，直接数值模拟的结果如图6所示，计算时调整压力源3使流场的雷诺数(Re)为1，调整聚乙烯吡咯烷酮粘弹性流体2的流变性质，使流场的维森博格数(Wi)为1，调整多分散体系颗粒1的阻塞率为0.3，0.28，0.26，0.24，0.22。初始多分散体系颗粒随机分布在微流控芯片的微通道4中，多分散体系颗粒1在驱动压力源3引起的惯性力，以及聚乙烯吡咯烷酮粘弹性流体2的弹性力作用和相邻颗粒相互靠近时的排斥力作用而向下游运动时，多分散体系颗粒1都迁移到微流控芯片的微通道4出口端的中线位置，多分散体系颗粒1的运动过程中相邻颗粒间距如图6所示，多分散体系颗粒1的分布如图6的插图所示，不能形成了均匀稳定间距的颗粒链，而依然形成了大颗粒在前、小颗粒在后的颗粒链5，但形成的大颗粒在前、小颗粒在后的颗粒链5略微开始弯曲，即颗粒链中各个颗粒圆心的连线为折线。
具体实施例6
具体实施通过虚拟区域方法，直接数值模拟的结果如图7所示，计算时调整压力源3使流场的雷诺数(Re)为1，调整聚乙烯吡咯烷酮粘弹性流体2的流变性质，使流场的维森博格数(Wi)为1，调整多分散体系颗粒1的阻塞率为0.3，0.25，0.24，0.22，0.20。初始多分散体系颗粒随机分布在微流控芯片的微通道4中，多分散体系颗粒1在驱动压力源3引起的惯性力，以及聚乙烯吡咯烷酮粘弹性流体2的弹性力作用和相邻颗粒相互靠近时的排斥力作用而向下游运动时，多分散体系颗粒1都迁移到微流控芯片的微通道4出口端的中线位置，多分散体系颗粒1的运动过程中相邻颗粒间距如图7所示，多分散体系颗粒1的分布如图7的插图所示，不能形成了均匀稳定间距的颗粒链，而依然形成了大颗粒在前、小颗粒在后的颗粒链5，大颗粒在前、小颗粒在后的颗粒链5的弯曲程度加大。
具体实施例7
具体实施通过虚拟区域方法，直接数值模拟的结果如图8所示，计算时调整压力源3使流场的雷诺数(Re)为1，调整聚乙烯吡咯烷酮粘弹性流体2的流变性质，使流场的维森博格数(Wi)为1，调整多分散体系颗粒1的阻塞率为0.3，0.25，0.20，0.175，0.15。初始多分散体系颗粒随机分布在微流控芯片的微通道4中，多分散体系颗粒1在驱动压力源3引起的惯性力，以及聚乙烯吡咯烷酮粘弹性流体2的弹性力作用和相邻颗粒相互靠近时的排斥力作用而向下游运动时，多分散体系颗粒1都迁移到微流控芯片的微通道4出口端的中线位置，多分散体系颗粒1的运动过程中相邻颗粒间距如图8所示，多分散体系颗粒1的分布如图8的插图所示，不能形成了均匀稳定间距的颗粒链，而依然形成了大颗粒在前、小颗粒在后的颗粒链5，但阻塞率为0.3，0.25、0.20和0.175的相邻颗粒之间相互接触，阻塞率为0.15的颗粒远离微流控芯片的微通道4的中心线位置，脱离到聚乙烯吡咯烷酮粘弹性流体2，不再形成相互接触的颗粒链，颗粒间距变化不稳定。
具体实施例8
具体实施通过虚拟区域方法，直接数值模拟的结果如图9所示，计算时调整压力源3使流场的雷诺数(Re)为1，调整聚乙烯吡咯烷酮粘弹性流体2的流变性质，使流场的维森博格数(Wi)为1，调整多分散体系颗粒1的阻塞率为0.3，0.25，0.20，0.15，0.10。初始多分散体系颗粒随机分布在微流控芯片的微通道4中，多分散体系颗粒1在驱动压力源3引起的惯性力，以及聚乙烯吡咯烷酮粘弹性流体2的弹性力作用和相邻颗粒相互靠近时的排斥力作用而向下游运动时，多分散体系颗粒1都迁移到微流控芯片的微通道4出口端的中线位置，多分散体系颗粒1的运动过程中相邻颗粒间距如图9所示，多分散体系颗粒1的分布如图9的插图所示，相邻两个多分散体系颗粒1不能形成了均匀稳定间距的颗粒链，而依然形成了大颗粒在前、小颗粒在后的颗粒链5，但阻塞率为0.3，0.25和0.20的颗粒之间相互接触，阻塞率为0.15和0.10的颗粒远离微流控芯片的微通道4的中心线位置，脱离到聚乙烯吡咯烷酮粘弹性流体2，不再形成相互接触的颗粒链，颗粒间距变化不稳定。
具体实施例9
具体实施通过虚拟区域方法，直接数值模拟的结果如图10所示，计算时调整压力源3使流场的雷诺数(Re)为50，调整聚乙烯吡咯烷酮粘弹性流体2的流变性质，使流场的维森博格数(Wi)为1，调整多分散体系颗粒1的阻塞率为0.3，0.25，0.24，0.22，0.20。初始多分散体系颗粒随机分布在微流控芯片的微通道4中，多分散体系颗粒1在驱动压力源3引起的惯性力，以及聚乙烯吡咯烷酮粘弹性流体2的弹性力作用和相邻颗粒相互靠近时的排斥力作用而向下游运动时，多分散体系颗粒1都迁移到微流控芯片的微通道4出口端的中线位置，多分散体系颗粒1的运动过程中相邻颗粒间距如图10所示，由于驱动压力源3引起的惯性力较强，相邻颗粒间距的变化幅度增加，多分散体系颗粒1的分布如图10的插图所示，不能形成了均匀稳定间距的颗粒链，但依然形成了大颗粒在前、小颗粒在后的颗粒链5，大颗粒在前、小颗粒在后的颗粒链5的弯曲程度进一步加大。
具体实施例10
具体实施通过虚拟区域方法，直接数值模拟的结果如图11所示，计算时调整压力源3使流场的雷诺数(Re)为1，调整聚乙烯吡咯烷酮粘弹性流体2的流变性质，使流场的维森博格数(Wi)为3，调整多分散体系颗粒1的阻塞率为0.3，0.25，0.24，0.22，0.20。初始多分散体系颗粒随机分布在微流控芯片的微通道4中，多分散体系颗粒1在驱动压力源3引起的惯性力，以及聚乙烯吡咯烷酮粘弹性流体2的弹性力作用和相邻颗粒相互靠近时的排斥力作用而向下游运动时，多分散体系颗粒1都迁移到微流控芯片的微通道4出口端的中线位置，多分散体系颗粒1的运动过程中相邻颗粒间距如图11所示，多分散体系颗粒1的分布如图11的插图所示，不能形成了均匀稳定间距的颗粒链，而依然形成了大颗粒在前、小颗粒在后的颗粒链5，大颗粒在前、小颗粒在后的颗粒链5的弯曲程度加大。
具体实施例11
具体实施通过虚拟区域方法，直接数值模拟的结果如图12所示，计算时调整压力源3使流场的雷诺数(Re)为1，调整聚乙烯吡咯烷酮粘弹性流体2的流变性质，使流场的维森博格数(Wi)为0，表明没有聚乙烯吡咯烷酮粘弹性流体2的弹性力作用，调整多分散体系颗粒1的阻塞率为0.3，0.25，0.24，0.22，0.20。初始多分散体系颗粒随机分布在微流控芯片的微通道4中，多分散体系颗粒1在驱动压力源3引起的惯性力作用和相邻颗粒相互靠近时的排斥力作用而向下游运动时，多分散体系颗粒1都迁移到微流控芯片的微通道4出口端的壁面位置，多分散体系颗粒1的运动过程中相邻颗粒间距如图12所示，多分散体系颗粒1的分布如图12的插图所示，形成了均匀稳定间距的颗粒链，但不能形成了大颗粒在前、小颗粒在后的颗粒链5。
具体实施例12
具体实施通过虚拟区域方法，直接数值模拟的结果如图13所示，计算时调整压力源3使流场的雷诺数(Re)为1，调整聚乙烯吡咯烷酮粘弹性流体2的流变性质，使流场的维森博格数(Wi)为0.01，调整多分散体系颗粒1的阻塞率为0.3，0.25，0.24，0.22，0.20。初始多分散体系颗粒随机分布在微流控芯片的微通道4中，多分散体系颗粒1在驱动压力源3引起的惯性力，以及聚乙烯吡咯烷酮粘弹性流体2的弹性力作用和相邻颗粒相互靠近时的排斥力作用而向下游运动时，由于聚乙烯吡咯烷酮粘弹性流体2的弹性力作用较弱，多分散体系颗粒1不能迁移到微流控芯片的微通道4出口端的中线位置，而分布在微流控芯片的微通道4中线附近，多分散体系颗粒1的分布如图13的所示，不能形成了均匀稳定间距的颗粒链，未出现大颗粒在前、小颗粒在后的颗粒链5。
具体实施例13
具体实施通过虚拟区域方法，直接数值模拟的结果如图14所示，计算时调整压力源3使流场的雷诺数(Re)为0.01，调整聚乙烯吡咯烷酮粘弹性流体2的流变性质，使流场的维森博格数(Wi)为1，调整多分散体系颗粒1的阻塞率为0.3，0.25，0.24，0.22，0.20。初始多分散体系颗粒随机分布在微流控芯片的微通道4中，多分散体系颗粒1在驱动压力源3引起的惯性力，以及聚乙烯吡咯烷酮粘弹性流体2的弹性力作用和相邻颗粒相互靠近时的排斥力作用而向下游运动时，由于驱动压力源3引起的惯性力较弱，只有直径较大的多分散体系颗粒1迁移到微流控芯片的微通道4出口端的中线位置，而直径较小多分散体系颗粒1未能稳定在微流控芯片的微通道4出口端的中线位置，多分散体系颗粒1的分布如图14的所示，不能形成了均匀稳定间距的颗粒链，只形成短的大颗粒在前、小颗粒在后的颗粒链5，并伴随有单独的多分散体系颗粒1分散在微流控芯片的微通道4出口端的中线位置附近，大颗粒在前、小颗粒在后的颗粒链5的弯曲程度加大。
由具体实施例可知，调节压力源的驱动压力，当微通道内流场的雷诺数小于1时，不能形成颗粒之间均匀稳定间距分布的颗粒链，小直径的多分散体积颗粒不能迁移到微通道中线位置。当雷诺数为50时，还能形成颗粒之间均匀稳定间距分布的颗粒链，但此时颗粒链的间距变化幅度增加，继续增加雷诺数则不能形成颗粒之间均匀稳定间距分布的颗粒链。当雷诺数在1-50时，形成颗粒直径沿流向依次增大的颗粒链，颗粒链中各个颗粒圆心的连线为折线。
调节流体的弹性数，当微通道内流体的弹性数小于1时，不能形成颗粒之间均匀稳定间距分布的颗粒链，多分散体积颗粒不能迁移到微通道中线位置。当增加弹性数在1-3时，开始形成相邻颗粒之间相互接触并且颗粒直径沿流向依次增大的颗粒链，颗粒链中各个颗粒圆心的连线为折线。
Claims (9)
1.一种流固两相输运中的微尺度颗粒直径测定的方法，方法包括：
1)配制多分散体系粘弹性流体
2)在微流控芯片的微通道(4)内，微通道的入口端连接压力源(3)，用压力源(3)从入口端将最终的多分散体系粘弹性流体注入微通道内，使得最终的多分散体系粘弹性流体均匀分布在微通道的入口端；
3)通过特定的技术手段使得颗粒在微通道出口端的中线位置形成颗粒直径沿流向依次增大的颗粒链，或者形成颗粒之间均匀稳定间距分布的颗粒链，进而不同颗粒直径的测定；
其特征在于，方法具体还包括：
所述1)配制多分散体系粘弹性流体，具体为：将去离子水与甘油按质量分数77：23的比例混合，获得去离子水和甘油的混合液，接着将聚乙烯吡咯烷酮粉末加入去离子水和甘油的混合液中，获得聚乙烯吡咯烷酮粘弹性流体(2)；再往聚乙烯吡咯烷酮粘弹性流体(2)中加入多分散体系颗粒(1)，使得聚乙烯吡咯烷酮粘弹性流体的密度与颗粒的密度相同，获得多分散体系粘弹性流体，最后往多分散体系粘弹性流体中加入聚乙烯吡咯烷酮粘弹性流体(2)进行浓度的稀释，获得最终的多分散体系粘弹性流体；
所述3)具体为：调节压力源(3)的驱动压力和聚乙烯吡咯烷酮粘弹性流体(2)的流变性质，使得微通道内流场的雷诺数为1-50和流体的弹性数为1-3，调节多分散体系粘弹性流体中颗粒直径，所有颗粒受固定的驱动压力所引起的惯性、粘弹性流体的粘弹性作用和相邻颗粒相互靠近时的排斥力作用而沿流向向微通道下游运动，使得颗粒在微通道出口端的中线位置形成颗粒直径沿流向依次增大的颗粒链，或者形成颗粒之间均匀稳定间距分布的颗粒链，通过颗粒链的结构和颗粒所在位置，实现不同颗粒直径的测定。
2.根据权利要求1所述的一种流固两相输运中的微尺度颗粒直径测定的方法，其特征在于：所述多分散体系颗粒为微米尺度的固体球形颗粒组成，固体球形颗粒的直径不均匀，颗粒直径范围为10-30μm。
3.根据权利要求1所述的一种流固两相输运中的微尺度颗粒直径测定的方法，其特征在于：所述微通道为方形截面的直通道。
4.根据权利要求1所述的一种流固两相输运中的微尺度颗粒直径测定的方法，其特征在于：所述的压力源采用压力泵或注射泵。
5.根据权利要求1所述的一种流固两相输运中的微尺度颗粒直径测定的方法，其特征在于：所述的颗粒直径沿流向依次增大的颗粒链具体为：
颗粒之间均匀稳定间距分布的颗粒链；
或者是相邻颗粒之间相互接触并且颗粒直径沿流向依次增大的颗粒链，颗粒链中各个颗粒圆心的连线为直线；
或者是相邻颗粒之间相互接触并且颗粒直径沿流向依次增大的颗粒链，颗粒链中各个颗粒圆心的连线为折线；
或者是颗粒直径沿流向依次增大的颗粒链，颗粒链中各个颗粒圆心的连线为折线，前一部分的相邻颗粒之间相互接触，后一部分的相邻颗粒远离微通道出口端的中线位置，后一部分的相邻颗粒之间相互不接触，颗粒间距变化不稳定。
6.根据权利要求5所述的一种流固两相输运中的微尺度颗粒直径测定的方法，其特征在于：当调节多分散体系粘弹性流体中颗粒直径使得阻塞率相同时，形成颗粒之间均匀稳定间距分布的颗粒链。
7.根据权利要求5所述的一种流固两相输运中的微尺度颗粒直径测定的方法，其特征在于：当调节多分散体系粘弹性流体中颗粒直径，使得直径最大的颗粒阻塞率与最小直径颗粒的阻塞率相差0.02-0.06时，形成相邻颗粒之间相互接触并且颗粒直径沿流向依次增大的颗粒链，颗粒链中各个颗粒圆心的连线为直线。
8.根据权利要求5所述的一种流固两相输运中的微尺度颗粒直径测定的方法，其特征在于：当调节多分散体系粘弹性流体中颗粒直径，使得直径最大的颗粒阻塞率与最小直径颗粒的阻塞率相差0.08-0.1时，形成相邻颗粒之间相互接触并且颗粒直径沿流向依次增大的颗粒链，颗粒链中各个颗粒圆心的连线为折线。
9.根据权利要求5所述的一种流固两相输运中的微尺度颗粒直径测定的方法，其特征在于：当调节多分散体系粘弹性流体中颗粒直径，使得直径最大的颗粒阻塞率与最小直径颗粒的阻塞率相差0.15-0.2时，形成颗粒直径沿流向依次增大的颗粒链，颗粒链中各个颗粒圆心的连线为折线，前一部分的相邻颗粒之间相互接触，后一部分的相邻颗粒远离微通道出口端的中线位置，后一部分的相邻颗粒之间相互不接触，颗粒间距变化不稳定。
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| CN113769797B (zh) | 2023-03-14 |
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