非球形顆粒的微流動慣性遷移研究取得進展

微納尺度顆粒（包括細胞、細菌、人工合成微納顆粒、生物大分子等）的分離與富集在生物、醫學、材料和環境等領域有著至關重要的應用。慣性微流控是近幾年能夠實現顆粒高通量精確操控的一種新穎微流控方法，現有相關研究主要針對球形顆粒，而實際生物工程應用中所需要處理的顆粒普遍是非球形的，包括盤狀紅細胞、柱狀大腸桿菌、橢球狀眼蟲藻等。當前，非球形顆粒的相關研究較為缺乏，研究者們一般通過選取等效直徑以便將非球形顆粒問題簡化為球形顆粒問題。

近期，中國科學院力學研究所非線性力學國家重點實驗室胡國慶團隊在非球形顆粒的慣性遷移研究方面取得進展。研究人員通過三維直接數值模擬，研究了柱狀顆粒和盤狀顆粒在矩形微通道內的慣性遷移特性，探討了柱狀顆粒的轉動行為及受力變化，系統地考察了通道雷諾數、通道寬高比、顆粒阻塞比、顆粒長細比等參數對柱狀顆粒平衡位置的影響，並與球形顆粒進行了對比。通過研究柱狀顆粒表面應力隨轉動角度的變化，發現顆粒近壁端所受應力主導其轉動行為；通過分析不同通道雷諾數下柱狀顆粒在兩種通道內所受慣性升力分布，發現在方通道內始終存在四個穩定平衡位置，而在矩形通道內穩定平衡位置則隨雷諾數增大逐漸由兩個變為四個；通過對比不同情況下柱狀顆粒與球形顆粒的平衡位置，發現柱狀顆粒等效直徑隨雷諾數增大而增大。

研究將加深對柱狀顆粒微尺度慣性遷移機制的理解，為非球形顆粒的高通量精確操控提供理論指導。上述研究成果發表在Physics of Fluids上（J. Su, X. Chen, and G. Hu, 2018, 30, 032007），並獲得編輯精選(Editor"s picks)在首頁進行展示，相關工作獲得了國家自然科學基金、中科院前沿科學重點研究項目和中科院B類先導項目的支持。

顆粒表面應力分布隨轉動角度的變化規律

不同雷諾數下顆粒在通道截面內的慣性升力分布：Re=50 (a, d)；Re=100 (b, e)； Re=200 (c, f)。

來源：中國科學院力學研究所

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