圓柱陣列微通道中復(fù)雜流體的流動(dòng)行為分析

李家丞（東北石油大學(xué)，黑龍江 大慶 163000）

圓柱陣列微通道中復(fù)雜流體的流動(dòng)行為分析

李家丞（東北石油大學(xué)，黑龍江 大慶 163000）

為了對圓柱陣列微通道中的復(fù)雜流體進(jìn)行分析，可以使用法琳效應(yīng)產(chǎn)生的無細(xì)胞血漿對大血液進(jìn)行釋放，保證能更好的預(yù)測的操控流體。在文章中，將血液作為一種復(fù)雜流體，對其靜態(tài)和動(dòng)態(tài)血細(xì)胞濃度進(jìn)行分析，研究其在圓柱陣列微通道中規(guī)律，以保證為各個(gè)組成部分提供有效的操控、分離思路。

圓柱陣列；微通道；復(fù)雜流體；流動(dòng)行為

復(fù)雜流體是在氣、液以及固等二元、多元混合物流體，受剪切以及外場作用的影響，產(chǎn)生復(fù)雜的流變行為。當(dāng)前，對復(fù)雜流體進(jìn)行研究過程中，還面對更大挑戰(zhàn)。因此，基于微流體技術(shù)，對其性能充分分析，分析血液或者一些復(fù)雜流體行為，保證能為以后研究工作和實(shí)際應(yīng)用提供依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)

在實(shí)驗(yàn)中，需要對材料和儀器進(jìn)行選擇。一般情況下，要選擇全血、70%濃度的血細(xì)胞。在對其使用前期，要為其增加生理鹽水對其稀釋，保證混合后對其過濾使用。血液中，最為主要的成分為紅細(xì)胞，所以，將其作為復(fù)雜流體更為合適。還需要對微流控裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)，基于圓柱陣列微通道，分析血液流體其中的實(shí)際狀況。在圓柱陣列微通道中，基于34個(gè)沿微通道中心線，并按照一定間距組成。在前期研究過程中，是利用法琳效應(yīng)對其設(shè)計(jì)，發(fā)現(xiàn)受慣性力、紅細(xì)胞形變的影響，遠(yuǎn)離圓柱。當(dāng)發(fā)現(xiàn)圓柱陣列微通道中的流體性質(zhì)變化的時(shí)候，法琳效應(yīng)也會逐漸改變[1]。

基于實(shí)驗(yàn)的分析，發(fā)現(xiàn)紅細(xì)胞濃度對尾跡寬度、細(xì)胞分布將產(chǎn)生一定影響。基于顯微鏡的觀察，發(fā)現(xiàn)隨著血細(xì)胞濃度的改變，圓柱陣列微通道下游尾跡、細(xì)胞分布也會改變。動(dòng)態(tài)的紅細(xì)胞濃度對尾跡寬度也會產(chǎn)生影響，基于對注射器豎直放置的分析，按照時(shí)間變化對其觀察和記錄尾跡寬度。減阻劑對尾跡寬度也會產(chǎn)生一定影響，基于相關(guān)研究發(fā)，當(dāng)將微量的減阻劑加入到血液中，能降低法琳效應(yīng)，以免其產(chǎn)生血漿層，保證紅細(xì)胞的均勻分布。同時(shí)，為了更為有效的分析血液樣品中的減阻劑，還需要重點(diǎn)觀察圓柱陣列微通道中不同紅細(xì)胞濃度對尾跡寬度、細(xì)胞分布情況產(chǎn)生的影響。如：圓柱陣列微通道中的圓柱直徑為80μm和100μm，發(fā)現(xiàn)血液樣品的流量恒定為50μL/h，當(dāng)PEO降低，發(fā)現(xiàn)減阻劑在10ppm,需要對其現(xiàn)配現(xiàn)用，這樣不僅能促進(jìn)實(shí)驗(yàn)工作的完成，也能獲得更為有效結(jié)果[2]。

2 結(jié)果分析

2.1 分析尾跡寬度和細(xì)胞分布下血細(xì)胞的濃度變化

基于恒定5000μL/h流量，不同的血細(xì)胞濃度在圓柱陣列微通道中的尾跡情況。當(dāng)發(fā)現(xiàn)為全血狀態(tài)的時(shí)候，觀察無細(xì)胞無漿層。但是，隨著血細(xì)胞濃度的逐漸降低，發(fā)現(xiàn)在圓柱陣列微通道下游區(qū)域存在尾跡。當(dāng)血液細(xì)胞的濃度逐漸降低的時(shí)候，其具備的法琳效應(yīng)也不斷增強(qiáng)。尾跡的產(chǎn)生，在邊界位置為細(xì)胞富集帶，其產(chǎn)生的細(xì)胞濃度更高。基于對尾跡寬度和血液血細(xì)胞濃度關(guān)系的分析，當(dāng)發(fā)現(xiàn)血液濃度達(dá)到全血的時(shí)候，在圓柱陣列微通道中沒有發(fā)現(xiàn)尾跡，也不容易對其測量。當(dāng)血細(xì)胞濃度達(dá)到1.7%以下后，發(fā)現(xiàn)尾跡寬度達(dá)到33μm。隨著血細(xì)胞濃度的逐漸增加，其具備的尾跡也在逐漸降低[3]。在相同的圓柱陣列微通道中，不同血液樣品受到的升力是相同的，但尾跡寬度更為明顯。所以說，在血液流體流動(dòng)中，細(xì)胞之間具備主導(dǎo)作用，根據(jù)尾跡寬度、血液濃度大小進(jìn)行判斷，能預(yù)測出流體的特征。

2.2 分析尾跡寬度下動(dòng)態(tài)血細(xì)胞的濃度變化

當(dāng)在自然沉降3小時(shí)內(nèi)，注射器底部的血液樣品濃度更高。期間，可以將注射器豎直擺放，發(fā)現(xiàn)血細(xì)胞受重力的影響重新沉降。這時(shí)候，發(fā)現(xiàn)另一邊的濃度不斷降低。當(dāng)經(jīng)過一段時(shí)間后，再次將其豎直擺放，發(fā)現(xiàn)注射器出口位置的血細(xì)胞濃度不斷增加。如果初始濃度為6.4%，分析血壓細(xì)胞積動(dòng)態(tài)和尾跡寬度規(guī)律。當(dāng)還未發(fā)現(xiàn)自然沉降現(xiàn)象的時(shí)候，對其進(jìn)行豎直擺放，發(fā)現(xiàn)血細(xì)胞濃度對隨著重力作用影響逐漸增大。同時(shí)，由于時(shí)間的不斷增加，發(fā)現(xiàn)血液在圓柱陣列微通道中更寬。所以說，在圓柱陣列微通道中，血液會隨著時(shí)間的不斷變化逐漸變窄，其顏色也逐步加深[4]。

2.3 分析減阻劑對細(xì)胞流體分布影響

當(dāng)血細(xì)胞與中心線遠(yuǎn)離，并在壁面位置富集的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)在近壁面的血液顏色更深。基于不同的血液濃度，為其增加PEO發(fā)現(xiàn)，隨著血細(xì)胞濃度的逐漸降低，血液樣品的尾跡也更為清晰。但是，發(fā)現(xiàn)中心線位置存在的深色細(xì)帶逐漸消失。尾跡為一種復(fù)雜的分層結(jié)構(gòu)，從血液到壁面，一共為五層。如果受粘彈性作用以及圓柱陣列微通道慣性的影響，其顆粒也會表現(xiàn)為復(fù)雜的分層現(xiàn)象。所以說，但發(fā)現(xiàn)血液為復(fù)雜分層分布的時(shí)候，可以根據(jù)血液的分離流動(dòng)，對其進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)，重點(diǎn)研究減阻劑與細(xì)胞之間的作用，保證能對復(fù)雜流體實(shí)現(xiàn)檢測和分離。

3 結(jié)語

基于文章中對血液復(fù)雜流體的分析，在圓柱陣列微通道中對靜態(tài)和動(dòng)態(tài)進(jìn)行分析，分析實(shí)際變化規(guī)律。通過對復(fù)雜流體濃度、成分等各個(gè)條件的調(diào)節(jié)和操控，能更為簡單的對流體特征進(jìn)行預(yù)測，也能為以后分離、操控工作提供新的發(fā)展思路。

[1]鄭威超,謝銳,巨曉潔等.圓柱陣列微通道中復(fù)雜流體的流動(dòng)行為研究[J].過濾與分離,2015(2):1-5.

[2]石憲章,黃明,趙振峰等.氣輔成型過程中可壓縮空氣流動(dòng)數(shù)值模擬[J].化工學(xué)報(bào),2013,64(3):906-911.

[3]申峰,劉趙淼.顯微粒子圖像測速技術(shù)——微流場可視化測速技術(shù)及應(yīng)用綜述[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2012,48(4):155-168.

[4]王維,洪坤,魯波娜等.流態(tài)化模擬:基于介尺度結(jié)構(gòu)的多尺度CFD[J].化工學(xué)報(bào),2013,64(1):95-106.