Active control of particle position by boundary slip in inertial microfluidics
惯性微流控技术是利用微通道的几何特性和流体力学特性，对微通道内的颗粒进行聚焦和分离的技术。然而，悬浮颗粒在微通道中的垂直位置不能被实时操纵。本研究利用边界滑移效应来调节微通道内流体的抛物线速度分布，并提出一种主动控制惯性微流体中粒子垂直位置的方案。具有单向滑移边界的微通道流场与相应滑移长度加宽的微通道流场是等效的，两种微通道内颗粒平衡位置是一致的。然后，我们模拟了圆形、椭圆形和矩形三种典型颗粒在微通道中的横向迁移。与圆形颗粒的光滑轨迹不同，椭圆形和矩形颗粒的运动伴随着规则的波动和非均匀旋转，这是由于它们的非圆形几何形状。结果表明，单侧滑移边界能有效地控制颗粒的垂向平衡位置。因此，本方案能够在垂直方向上主动操纵颗粒位置，并且可以促进惯性微流体中更准确的聚焦、分离和运输。
2022-03-14 physics.flu-dyn
Dense Suspension Inertial Microfluidic Particle Theory (DENSE-IMPACT) Model for Elucidating Outer Wall Focusing at High Cell Densities
针对高浓度下惯性微流控散焦限制，本文提出DENSE-IMPACT多相模型，结合升力与颗粒相互作用揭示了高浓度流动下颗粒向外壁反直觉聚焦的机制。
2024-11-14 physics.app-ph physics.flu-dyn
An unrecognized force in inertial microfluidics
本文从理论与计算上揭示振荡流中存在由颗粒惯性和空间流动变化共同引起的未被认识的作用力，并通过推广Maxey-Riley理论实现定量预测。
2021-01-09 physics.flu-dyn
Novel Inertial Self-Assembly Dynamics and Long-Range Spatial Ordering of Interacting Droplet Ensembles in Confined Microfluidic Flows
液滴的多相流在工业和微尺度上都是广泛的，对于生物和非生物应用都是如此。但这类系统的系综相互作用具有固有的非线性和复杂性，并伴有界面效应，使其成为理论上的一个困难的多体问题。相比之下，固体颗粒在流动中的自组装动力学早已被描述并成功地应用于惯性微流体领域，其中颗粒晶体可以从惯性力和流体动力学相互作用中实现。在这里，我们报告了新的自组装动力学的液滴在封闭的微流体通道，形成鲜明对比的惯性微流体的既定范例：更高的惯性导致更好的空间秩序。相反，我们发现，传统的直壁通道的几何形状不仅不能实现定期的空间有序的下降，但实际上加剧了它与增加惯性。相反，不对称的蛇形几何形状能够在比液滴直径大至少3个数量级的长度尺度上实现长范围的周期性空间有序化，特别是在低惯性下。实验上，我们能够解耦液滴生成订购，使独立的变化的数量密度，限制，惯性和表面活性剂浓度。我们发现惯性依赖的首选滴分离的出现，并首次表明，马兰戈尼效应可以影响多滴阵列的纵向排序。这些结果为惯性微流体提供了一个很大程度上未探索的方向，但也显示了其与液滴微流体统一的潜力。特别是，在芯片上被动恢复均匀液滴间距的实用性是孵育和逐滴询问能力的流线型集成的关键要求。
2021-05-26 physics.app-ph physics.flu-dyn
Inertial focusing of spherical particles in curved microfluidic ducts at moderate Dean numbers
Victoria University Wellington（惠灵顿维多利亚大学）；The University of Adelaide（阿德莱德大学）
研究中等德恩数下曲微流体管道中球形粒子惯性聚焦机制，分析背景流变化对惯性升力和二次流阻力的影响，揭示背景流 profile 对粒子聚焦的调控作用。
2022-02-22 physics.flu-dyn
Inertial Migration of Aerosol Particles in Confined Microfluidic Channels
近年来，通过惯性微流体操纵颗粒引起了极大的关注。大多数研究集中在悬浮在液相中的颗粒的惯性聚焦，其中颗粒的密度与介质的密度之比为O（1）。在惯性微流体中操纵气溶胶颗粒的研究非常有限。在本研究中，我们以连续体模型为基础，以全解析模拟气溶胶粒子在具有矩形截面的3D直微通道内的流动，以探讨气溶胶粒子在微通道内的运动。空气流动由纳维-斯托克斯方程模拟，颗粒的运动，包括过渡和旋转，分别由牛顿第二定律和欧拉方程控制，而不使用任何升力和阻力的近似模型。将浸没边界与格子玻尔兹曼方法（IB-LBM）相结合，对耦合数学模型进行数值求解。研究发现，雷诺数、颗粒初始位置、颗粒密度和颗粒直径是影响颗粒运动的主要参数。气溶胶的平衡位置及其稳定性与悬浮在液体中的气溶胶不同。
2018-12-06 physics.comp-ph physics.flu-dyn physics.med-ph
Utilizing bifurcations to separate particles in spiral inertial microfluidics
悬浮在通过封闭管道的流体流中的颗粒可以由于由扰动流体的惯性引起的流体动力而聚集到管道横截面中的特定稳定位置。这种颗粒聚焦在生物医学和工业技术中被利用来按尺寸分离颗粒。在弯曲管道中，颗粒聚集是颗粒上的两个主导力之间平衡的结果：（i）由流体的小惯性引起的惯性升力，以及（ii）由流体上的离心力引起的横截面涡流引起的阻力。当弯曲管道的弯曲半径变化时，颗粒平衡发生分叉。通过使用Harding，Stokes和Bertozzi [1]的数学模型，我们通过数值模拟说明了这些分叉可以在螺旋管道中利用，通过瞬时聚焦鞍点附近的较小颗粒来实现不同尺寸颗粒之间的大分离。我们通过使用具有方形横截面的螺旋管道分离相似尺寸的颗粒以及具有较大尺寸差异的颗粒来证明这一点。使用分叉来操纵粒子聚焦的形式主义可以更广泛地应用于惯性微流体中的不同几何形状，这可能为粒子分离技术开辟新的途径。
2022-10-27 physics.flu-dyn
Microfluidic switchboards with integrated inertial pumps
连接两个不同流体储存器的H形微流体通道的阵列已经用在热喷墨打印头的生产中使用的硅/SU 8微制造技术构建。流体经由蚀刻穿过硅晶片的槽输送到通道。每个H形通道包括四个热喷墨电阻器，四个支腿中的每个支腿中有一个热喷墨电阻器。电阻器使水蒸发并产生驱动气泡，该驱动气泡将流体从大容量储存器泵入和泵出通道。通过改变四个泵的相对频率，输入流体可以以任何比例输送到网络的任何部分。几个流体操作，包括稀释，混合，动态阀门，和路由已被证明。因此，已经实现了不需要外部机械动力源的完全集成的微流体开关板。一个矩阵形式主义来描述复杂的交换机流已经开发和测试。
2018-02-10 cond-mat.other physics.flu-dyn
Non-inertial hydrodynamics of manipulating particle transport
Grainger College of Engineering（格兰杰工程学院）
研究非惯性流体中微流体操控粒子轨迹的机制，探讨障碍物对粒子轨迹影响的物理原理，揭示流体动力学效应在粒子偏转中的作用。
2026-03-16 physics.flu-dyn
Inertial focusing dynamics of spherical particles in curved microfluidic ducts with a trapezoidal cross-section
School of Mathematics and Statistics, Victoria University of Wellington（维多利亚大学惠灵顿校区数学与统计学院）；School of Mathematical Sciences, University of Adelaide（阿德莱德大学数学科学学院）
研究曲率微流体管道中球形颗粒的惯性聚焦动力学，分析梯形截面对颗粒分离的影响，揭示截面偏转程度与粒子迁移动态的关系，发现拐点分岔现象。
2023-10-30 math.DS physics.flu-dyn
Numerical investigation of the formation and stability of homogeneous pairs of soft particles in inertial microfluidics
本文研究了微惯性作用下槽流中一对相同软胶囊的形成和稳定性。我们采用格子玻尔兹曼，有限元和浸没边界方法相结合来模拟流动中的弹性颗粒。验证测试表明，与其他研究小组获得的数值结果非常一致。我们的研究结果揭示了新的轨迹类型，尚未观察到的刚性粒子对。虽然颗粒柔软度增加了形成稳定对的可能性，但对稳定性由颗粒的横向位置决定。一个关键的发现是，稳定的轴向距离发生后，横向迁移的颗粒。在对形成的后期阶段，粒子经历与初始条件无关的阻尼振荡。这些阻尼振荡由颗粒动力学、颗粒惯性和粘性耗散的强流体动力学耦合驱动。虽然振荡的频率和阻尼系数取决于颗粒的柔软度，但对形成时间在很大程度上取决于初始颗粒位置：形成稳定对的时间随初始轴向距离呈指数增长。我们的研究结果表明，颗粒的柔软度对颗粒对的行为有很大的影响。这些发现可能对微流体应用产生重大影响，其中需要颗粒之间恒定且可靠的轴向距离，例如流式细胞术。
2021-08-11 physics.flu-dyn
High throughput, automated prediction of focusing patterns for inertial microfluidics
用于识别惯性微流体流中的聚焦点的视觉检查在非平凡聚焦图案的情况下容易误解稳定位置和聚焦移位。我们开发和部署一种方法，用于自动计算一般通道几何形状的聚焦模式，从而减少对经验/视觉程序的依赖，以确认稳定位置的存在。我们利用插值理论（用离散点表示连续力场）和稳定性理论的概念来识别“吸引域”，并定量地识别稳定的平衡点。我们的计算实验表明，准确地预测平衡点需要高达$\times$ 10-20倍更精细的力图，传统上使用，这突出了空间分辨率所需的横截面力的准确表示。这些聚焦图案使用矩形通道和顶角为$90^\circ$的三角形通道的实验结果进行验证。然后，我们应用该方法来预测和解释的$90^\circ$ -等腰三角形通道在一个范围内的雷诺数为$\frac{a}{H} = 0.4$（颗粒通道尺寸比）的聚焦模式和移位。我们观察到，预测的聚焦模式与实验匹配良好。力图还揭示了某些局部稳定点的“云”，这有助于解释实验中观察到的分叉的发生。目前的算法是不可知的通道横截面和直/弯曲的通道，这可以铺平道路，以产生一个库的聚焦模式作为通道几何形状的函数，和$Re$，以帮助设计的新设备定制的粒子流。
2019-01-16 physics.flu-dyn
Inertial hydrodynamic ratchet: Rectification of colloidal flow in tubes of variable diameter
我们分析研究了一个微流控装置组成的管与非均匀的，但空间周期性的直径，其中的流体驱动来回泵携带胶体颗粒。虽然流体的净流量为零，但由于惯性流体动力学和布朗运动的同时作用，棘轮机制使颗粒优先沿一个方向运动。我们表明，平均电流是强烈敏感的颗粒大小，从而促进胶体颗粒分选。
2017-07-10 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Geometry-free prediction of inertial lift forces in microfluidic devices using deep learning
Department of Mechanical & Industrial Engineering, University of Toronto（机械与工业工程系，多伦多大学）；Mechanical Engineering, Purdue University（机械工程，普渡大学）；Department of Materials Science & Engineering, University of Toronto（材料科学与工程系，多伦多大学）；Institute of Biomedical Engineering, University of Toronto（生物医学工程研究所，多伦多大学）
本文提出一种无需几何参数的深度学习模型，能有效预测微流体装置中粒子升力，适用于多种通道几何形状。
2026-04-27 cond-mat.mtrl-sci cs.LG physics.flu-dyn
Shape-design for stabilizing micro-particles in inertial microfluidic flows
当对中等雷诺数（$10 \le Re \le 80$）的稀悬浮液的一部分进行数值研究时，稳定在通道流中心线处的微粒的设计。基于线性稳定性理论，给出了任意形状颗粒的稳定性度量。粒子形状是参数化的紧凑，非均匀有理B样条（NURBS）为基础的表示。形状设计是一个优化问题，并解决了自适应贝叶斯优化。我们专注于设计粒子在通道中心线的最大稳定性的扰动鲁棒性。我们的研究结果表明，中心线聚焦粒子是家庭的特征“鱼”/“瓶”/“哑铃”状的形状，表现出前后不对称。然后进行参数探索以识别在不同k（颗粒弦与通道宽度比）和Re（$0.1 \le k \le 0.4, 10 \le Re \le 80$）下的稳定颗粒设计。当与低k和Re的颗粒相比时，高k和Re的颗粒高度稳定。与先前报道的低Re Hele-Shaw流动的杆盘模型（Uspal & Doyle 2014）相比，当前框架中修改的哑铃形设计的比较也显示出对流体-结构相互作用（FSI）中扰动的更好性能。我们确定盆地的吸引力中心线周围，其中跨越较大的释放角范围和横向位置（倾向于通道宽度）较窄的通道，这有效地证明了全球聚焦的概念，在这种配置中使用当前的稳定性范例。本框架说明了2D的情况下，是潜在的推广到3D流场的稳定性。目前的配方也是不可知的Re和颗粒/通道几何形状，这表明与成像流式细胞术工具和微流体生物传感测定集成的巨大潜力。
2019-02-21 physics.flu-dyn
Inertial Focusing of Spherical Particles: The Effects of Rotational Motion
本研究利用耗散粒子动力学模拟揭示了旋转运动对微流控中球形粒子惯性聚焦的显著影响，发现旋转引起的横向升力不可忽略，并据此为微流控微粒与细胞分选提出了新设计方案。
2025-05-13 physics.flu-dyn
Inertial migration and axial control of deformable capsules
单细胞的机械变形能力是癌症、血液病、炎症等多种疾病的重要指标。芯片实验室设备允许使用流体动力将这些细胞与健康细胞分离。我们进行流体力学模拟的基础上的格子玻尔兹曼方法和研究的行为的弹性胶囊在微流体通道流动的惯性制度。虽然惯性升力驱动胶囊远离通道中心，但其可变形性有利于沿相反方向迁移。平衡两种迁移机制，可变形胶囊根据其大小和可变形性以特定的平衡距离组装。我们发现，这个平衡距离几乎是独立的通道雷诺数和落在一个单一的主曲线绘制时，与拉普拉斯数。我们确定了一个类似的主曲线不同的粒子半径。相反，胶囊的实际变形强烈地依赖于雷诺数。升力曲线的行为与刚性粒子的行为类似。利用Saffman效应，胶囊的平衡位置可以通过沿通道轴线的外力来控制。当刚性颗粒在减速时移动到中心时，非常软的胶囊显示相反的行为。有趣的是，对于一个特定的控制力粒子集中在同一个平衡位置独立于其变形。
2017-02-15 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Fast Asymptotic-Numerical Method For Coarse Mesh Particle Simulation In Channels Of Arbitrary Cross Section
穿过惯性微流体装置的颗粒迁移到聚焦流线。提出了一种用奇点表示粒子的方法，计算粒子在任意截面惯性微流通道中的迁移速度。改进的渐近分析，提高了奇异性近似的规律性，使有限元近似的流场和压力场更有效。样本结果表明，该方法是计算效率高，能够捕获由于通道形状和雷诺数的变化在颗粒聚焦位置的分叉。
2021-10-26 physics.flu-dyn
Inertial migration of neutrally-buoyant particles in superhydrophobic channels
在有限雷诺数下，颗粒穿过流动流线迁移到微通道中的平衡位置。这种迁移归因于惯性升力，并且众所周知，中性浮力颗粒的平衡位置仅由其尺寸和雷诺数确定。在这里，我们证明了超疏水凹槽的通道的底壁的装饰提供了额外的可能性操纵中性浮力颗粒。结果表明，有效的各向异性流体动力学滑动这样的底壁可以很容易地用来改变平衡位置的颗粒，并产生它们的运动横向的压力梯度。这些结果可以指导设计新的惯性微流体装置，用于通过它们的尺寸有效地分选中性浮力微粒。
2019-12-25 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Phonons in a one-dimensional microfluidic crystal
发展一个一般的理论框架来描述远离平衡驱动的晶体的行为已经证明是困难的。微流体晶体，通过引入不混溶流体的液滴到充满液体的通道中形成，提供了一种方便的手段来探索和开发模型来描述非平衡dynamics 2，3，4，5，6，7，8，9，10，11。由于这些系统在低雷诺数（Re）下运行，其中粘性耗散的能量占主导地位的惯性效应，振动预计将被过度阻尼，并有助于其dynamics 12，13，14。针对这样的期望，我们报告出现的集体正常振动模式（相当于声学“声子”）在一维微流体晶体的油包水液滴在Reaprox 10 -4。这些声子传播的超低声速约100妈妈s-1和几赫兹的频率，表现出不寻常的色散关系显着不同的谐波晶体，并引起各种晶体的不稳定性，可能有影响的商业微流体系统的设计。第一性原理理论表明，这些声子是导致长程液滴间相互作用的破坏性流场的结果，其性质类似于在许多其他系统中观察到的那些，包括尘埃等离子体晶体15，16，超导体中的涡旋17，18，活性膜19和核蛋白质20。
2010-08-06 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Inertial waves and mean velocity profiles in a rotating pipe and a circular annulus with axial flow
本文求解了中等角速度绕轴作匀速旋转的圆管或圆环中的无粘惯性波解。解由所谓的螺旋波函数构成。我们揭示了平均速度剖面必须满足一定的条件才能容纳远离边界的块体区域的惯性波。这些条件要求平均速度的轴向和方位角分量分别具有第一类零阶和一阶贝塞尔函数的形状。理论，然后验证了直接数值模拟旋转管和圆环获得的数据，并发现理论和数值结果之间的良好协议。大尺度涡团被发现在大块区域的平均速度的轮廓匹配的理论预测。理论在旋转管道、环形空间和流向旋转通道中的成功表明，这种惯性波在有背景旋转的壁面流动中是很常见的。
2015-10-06 physics.flu-dyn
Controlled particle displacement by hydrodynamic obstacle interaction in non-inertial flows
University of Illinois Urbana-Champaign（伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校）
研究通过非惯性流中障碍相互作用实现微流体中粒子偏转，分析了流体动力学与接触相互作用分离对粒子操控的影响，提出新的微流体操控指导原则。
2025-11-15 physics.flu-dyn
A linearised model for calculating inertial forces on a particle in the presence of a permeate flow
了解颗粒在多孔通道中的传输和定位，特别是在中等雷诺数下，对于从水回收到生物研究的许多应用都是相关的。最近，研究人员通过实验证明，多孔微通道中轴向流和渗透流之间的相互作用导致有限尺寸颗粒的广泛聚焦位置（Garcia & Pennathur 2017）。我们数值探索这种相互作用，通过计算中性浮力球形颗粒上的横向力，受到惯性和渗透力在实验相关的颗粒尺寸和通道雷诺数（Re）的范围内。有趣的是，我们表明，颗粒上的横向力是很好地表示使用线性模型在一个范围内的渗透轴向流速比，$γ$。具体而言，我们的模型线性化的渗透流的影响，这表明轴向和渗透流之间的相互作用对颗粒上的横向力可以表示为在纯轴向流中的横向（惯性）力和纯渗透流中的粘性力之间的叠加。我们通过实验验证了这一观察范围内的流动条件。观察到的线性化行为显着降低了预测渗透通道中惯性颗粒迁移所需的复杂性和时间。
2018-08-13 physics.flu-dyn
Inertial migration of a rigid sphere in three-dimensional Poiseuille flow
在惯性微流体装置内利用惯性升力来定位、分离和分选颗粒或液滴。然而，目前只能通过数值模拟来预测力及其聚焦位置，这使得合理的设备设计非常困难。在这里，我们开发的微通道几何形状的颗粒上的力的理论。我们使用数值实验来剖析纳维-斯托克斯方程中的主导平衡，并推导出一个渐近模型来预测颗粒上的横向力作为颗粒尺寸的函数。我们的渐近模型是有效的一系列广泛的颗粒尺寸和雷诺数，并允许我们预测如何聚焦位置取决于颗粒尺寸。
2014-12-16 physics.flu-dyn
Direct Measurement of Particle Inertial Migration in Rectangular Microchannels
由于惯性升力，以高速行进通过微流体通道的颗粒从它们的起始流线迁移。理论预测了这些力的不同比例定律，并且几乎没有实验证据来验证理论。在这里，我们实验测量的三维位置和迁移速度的颗粒。我们的实验方法依赖于亚像素精确的粒子跟踪和深度维度的速度重建相结合，以跟踪数千个单独的粒子在三维空间中。我们发现，有没有简单的缩放粒子大小的惯性力，但迁移速度同意以及与数值模拟和两项渐近理论，不包含未测参数。
2017-07-05 physics.flu-dyn
Bubble-Driven Inertial Micropump
研究了气泡驱动惯性微泵的基本作用。该泵没有移动部件，由一个热敏电阻器组成，该热敏电阻器不对称地放置在连接两个储液器的直通道内。使用数值模拟，净流量作为通道的几何形状，电阻器的位置，汽泡强度，流体粘度和表面张力的函数进行了研究。两个主要制度的行为确定：轴向和非轴向。在轴向状态下，驱动气泡或者保持在通道内，或者当其到达储器时继续轴向生长。在非轴向状态下，气泡从通道中生长出来，并且在储液器内部时在所有三个维度上生长。轴向状态下的净流量相对于通道横截面的水力直径是抛物线形的，但在非轴向状态下则不是。从数值模拟，它是确定的净流量是最大时，轴向政权跨越到非轴向政权。为了阐明泵的基本物理原理，发展和求解了唯象的一维模型。利用硅SU8微泵的制作技术，制作了一个微泵线性阵列，并在实验上证明了在2 mm宽的通道上的半连续泵浦。测量的净流量随流体粘度的变化与模拟结果非常一致。
2012-02-22 cond-mat.mes-hall physics.flu-dyn physics.ins-det
Inertial migration in pressure-driven channel flow: beyond the Segre-Silberberg pinch
我们研究理论上的惯性迁移的中性浮力刚性球在压力驱动的通道流，占其有限的尺寸相对于通道的宽度（限制比）。对于足够大的通道雷诺数\，（$Re_c$），一个小的，但有限的约束比定性地改变了惯性升力速度分布使用点粒子制剂。有限的尺寸效应，导致新的平衡，除了众所周知的Segre-Silberberg捏位置。因此，一个球可以迁移到近壁Segre-Silberberg平衡，或新的稳定平衡位于更接近通道中心线，这取决于$Re_c$和它的初始位置。我们的研究结果与最近的实验和模拟结果一致，并对微流体应用中基于尺寸，形状和其他物理特性的颗粒被动分选产生影响。
2023-01-02 physics.flu-dyn
Opposing Shear-Induced Forces Dominate Inertial Focusing in Curved Channels and High Reynolds Numbers
惯性聚焦是流体中的颗粒向平衡的迁移，其中当前理论预测剪切引起的升力和壁引起的升力是平衡的。1961年首次报道，这种Segre-Silberberg效应对于细胞和颗粒的微流体分离特别有用。有趣的是，最近的研究表明，粒子在高雷诺数下聚集，这是目前理论无法解释的。在这项工作中，我们表明，非单调的速度分布，如在弯曲的通道中开发的，创建周围的相对的剪切诱导力占主导地位的壁效应的圆周速度最大值。类似地，在高雷诺数流动中放大的入口效应在短直通道中产生等效的捕获机制。这种新的聚焦机制，在发展中的流动制度，使10倍的小型化的惯性聚焦装置，而我们的模型纠正长期存在的误解的性质，机械力控制惯性聚焦在弯曲的渠道。
2015-08-18 physics.flu-dyn
Inertial Migration in Micro-Centrifuge Devices
在微量离心装置内，微流体涡旋使用惯性迁移将较大颗粒从异质悬浮液中分离，惯性迁移是一种导致颗粒跨越流线迁移的现象。基于几微米的尺寸差异选择性捕获颗粒的能力使得微量离心机成为捕获血液样品中稀有细胞的有用诊断工具。然而，由于缺乏颗粒捕获力学的定量模型，微型离心机的合理设计一直无法充分发挥其潜力。在这里，我们使用的渐近方法，其中颗粒被准确地建模为奇点在一个线性化的流场，快速计算颗粒轨迹内的微型离心机。我们的捕获阈值和轨迹的预测与已发表的实验数据吻合得很好。我们的研究结果阐明了捕获如何反映背景流中粒子的平流和惯性聚焦之间的平衡，并显示了为什么捕获和未捕获的传入流线的紧密接近使得设计具有尖锐捕获阈值的微型离心机具有挑战性。
2023-03-12 physics.flu-dyn
Controlling inertial focussing using rotational motion
在惯性微流体中，升力使颗粒穿过流线迁移到微通道的截面中的特定位置。我们控制粒子的旋转运动，并证明这允许操纵升力分布，从而粒子的平衡位置。我们使用多粒子碰撞动力学的方法进行二维模拟研究。具有不受约束的旋转运动的颗粒在通道的两个半部分中占据稳定的平衡位置，而中心是不稳定的。当外加力矩作用于粒子时，两个平衡位置通过鞍结分岔而湮灭，只剩下一个稳定的不动点，使得所有粒子都向通道的一侧移动。相反，当角速度固定为非零值时，非旋转颗粒聚集在中心并被推入通道的一半。
2014-02-10 physics.flu-dyn
Spatio-temporal dynamics of dilute red blood cell suspensions in a microchannel flow at low Reynolds number
微流体技术通常用于红细胞（RBC）悬浮液的操作和流动介导的生物力学分析。为了提高微流控装置的性能，了解其中处理的悬浮液的动力学是至关重要的。我们报告的红细胞悬浮液在低雷诺数下流过一个典型的微通道的时空动力学的新方面。通过实验与稀释的红细胞悬浮液，我们发现一个偏离中心的两个峰值（OCTP）的细胞分布相反，通常报告的低惯性流的集中分布。这让人想起了由惯性效应引起的众所周知的“管状箍缩效应”。然而，在我们的实验中，考虑到惯性可以忽略不计的条件，需要对这种OCTP曲线进行另一种解释。我们使用浸没边界格子玻尔兹曼方法（IB-LBM）在真实尺寸的微流体尺寸中对RBC流动进行了并行模拟，证实了实验结果，并阐明了违反直觉的RBC模式的潜在机制。通过分析红细胞迁移和无细胞层（CFL）的发展在一个高纵横比的通道，我们表明，这样的分布是共同决定的空间衰减的流体动力升力和全球缺乏细胞分散在稀悬浮液。我们发现CFL的发展长度大于46和28水力直径的实验和模拟，分别超过典型的长度的微流体设计。我们的工作突出了稀释悬浮液中瞬时细胞分布的关键作用，如果不考虑这可能会对实验结果的可靠性产生负面影响。
2020-05-07 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Inertial focusing of finite-size particles in microchannels
在有限的雷诺数下，Re，颗粒穿过微通道中的层流流线迁移到它们的平衡位置。这种迁移归因于升力，并且这种升力和重力之间的平衡决定了颗粒在通道中的位置。在这里，我们表明，位于通道壁附近的有限尺寸的颗粒的速度显着不同的是，从一个不受干扰的流，并且它们的平衡位置取决于此，称为滑移速度，差异。然后，我们提出的理论参数，这使我们能够概括的升力，最初建议的一些限制情况下，Re<<1，有限尺寸的颗粒在通道流在Re < 20的表达式。我们的理论模型，晶格玻尔兹曼模拟验证，提供了相当大的洞察惯性迁移的微通道中的有限尺寸的颗粒，并提出了一些新的微流体的方法来分离它们的大小或密度在一个中等的Re。
2017-10-18 physics.flu-dyn
Density-contrast induced inertial forces on particles in oscillatory flows
本文提出一种解析形式体系，推广Maxey--Riley方程以描述任意振荡流中密度失配球形颗粒的惯性力，并通过直接数值模拟证明其对细胞等近密度匹配物体的快速位移与分离具有重要作用。
2023-08-08 physics.flu-dyn
Inertial and viscous flywheel sensing of nanoparticles
旋转动力学通常挑战物理直觉，同时实现独特的实现，从陀螺仪的转子，无论外部万向节如何都保持其方向，到网球拍，当面朝上在空中投掷时，它会围绕手柄旋转。在惯性质量感测的背景下，其可以以原子精度测量质量，旋转动力学通常被认为是阻碍测量解释的复杂性。在这里，我们利用微流体装置的旋转动力学来开发惯性共振传感的新模式。理论与实验相结合，我们表明，这种方式通常测量的颗粒的体积，而其密度不敏感。奇怪的是，只有当流体粘度超过惯性时，颗粒密度才会出现。我们解释这个悖论通过一个粘度驱动，流体和颗粒之间的流体动力学耦合，激活粒子的旋转惯性，将其转换成一个粘性飞轮。这种模式现在可以使用单一的高通量测量同时测量流体中的颗粒体积和质量。
2020-11-12 physics.flu-dyn
Triaxial Asymmetry Driven Rotational Dynamics and Lateral Equilibrium Position in Inertial Flow
Johns Hopkins University（约翰斯·霍普金斯大学）；Princeton University（普林斯顿大学）；Kyung Hee University（庆熙大学）；Skyhook Bio, LLC（Skyhook Bio公司）；Microsoft Corporation（微软公司）
针对微流控等系统中三轴颗粒的应用需求，通过惯性泊肃叶流实验揭示其几何不对称性主导的旋转与迁移特性，发现Dzhanibekov效应相关的取向偏移，量化Jeffery轨道偏差并提出回转直径预测平衡位置的方法，拓展颗粒动力学认知。
2025-11-15 physics.flu-dyn
Inertial focusing of spherical capsule in pulsatile channel flows
该研究数值分析了不同Re和Ca下球形胶囊在稳态及脉动通道流中的横向运动，发现脉动可加速轴向聚焦且存在最优频率，低Ca时胶囊偏心聚焦，结果可用于无标记细胞分选等技术。
2024-12-18 physics.flu-dyn
A model for inertial particles in curvilinear flows
近年来，微流控装置的先进微制造能力的出现已经将注意力转向微通道内的惯性流中的颗粒的行为，用于与生物颗粒的分离和浓缩相关的应用。惯性聚焦的现象已被证明是在这样的应用中的鲁棒技术，其中曲线几何形状中的颗粒流已被证明是特别有利的，这不仅是因为几何形状可以减少芯片上实验室设备的占地面积，而且还因为次级迪恩流与惯性力的耦合允许精细的颗粒操纵。然而，为特定应用设计曲线通道的能力通常基于经验结果，因为迄今为止的理论模型通常不包括流动中有限尺寸颗粒的影响。本文提出了一个完整的数值模型，直接模拟了曲线流中的粒子，并利用该模型研究了惯性粒子的三维聚焦行为以及前人提出的点粒子假设的适用性。最后，我们提出了一个新的模型，考虑到完整的物理，但依赖于扰动扩展的横向力，其中的扰动参数是通道的曲率比。这个简单的模型可以用来预测复杂的通道几何形状的曲率可能不是恒定的颗粒的行为。
2018-11-29 physics.flu-dyn
A numerical lift force analysis on the inertial migration of a deformable droplet in steady and oscillatory microchannel flows at different Capillary numbers and oscillation frequencies
近年来，可变形颗粒的惯性迁移由于其在微流体和生物医学中的众多应用而变得引人注目。这种粒子运动的物理基础取决于微通道中升力的存在。这一重要性引发了几项研究，以分析和量化作用在粒子上的这种力。然而，由于大多数这样的尝试都集中在固体和不变形的颗粒，我们延长了升力分析的情况下，可变形的液滴和研究毛细管数对它们的动态的影响在本文中。此外，通过为颗粒引入新的平衡位置，利用振荡流作为微通道内恒定电流的替代方案已被证明是有益的。因此，目前的分析包括振荡制度，并确定振荡频率对升力的影响。然后，我们提出了一个表达式，准确地模仿在振荡流的升力行为。最后，我们介绍了一个程序来推导和预测一个简单的表达式的稳定和平均的振荡升力的任何给定的组合的毛细管数和振荡频率在一个连续的范围内。
2021-08-24 physics.flu-dyn
Optimized Designs for High-Efficiency Particle Sorting in Serpentine Microfluidic Channels
本研究数值分析了对称蛇形微通道中的颗粒迁移与被动分选，利用惯性力和离心力实现了超95%分离效率和超99%吞吐量，并开发了预测最小通道环数的新颖标度框架，为微流控系统设计提供了重要指导。
2025-09-13 physics.flu-dyn physics.med-ph
Control of axial dispersion in polymeric flows: magnetic effect versus electroosmotic effect
Harbin Institute of Technology（哈尔滨工业大学）；City University of Hong Kong（香港城市大学）；National University of Singapore（新加坡国立大学）；Shandong University（山东大学）
本研究通过解析和广义分散模型，对比磁效应与电渗效应，揭示聚合物微管流中轴向分散的控制机制，识别三种流动状态并发现非单调临界响应，为微流体混合分离提供新范式。
2026-09-16 physics.flu-dyn
Inertial migration of slender prolate and thin oblate spheroids in plane Poiseuille flow
International Centre for Theoretical Sciences（国际理论科学中心）；Engineering Mechanics Unit, Jawaharlal Nehru Centre for Advanced Scientific Research（贾瓦哈拉尔·尼赫鲁高级科学研究工程力学组）
研究细长椭球体在低雷诺数和低约束比下的惯性迁移行为，揭示其在不同雷诺数下的迁移机制和平衡位置变化。
2025-08-30 physics.flu-dyn
Synchronous oscillatory electro-inertial focusing of microparticles
该研究通过同步振荡压力驱动流与电场实现1 μm微粒聚焦，揭示相位差对聚焦位置、效率及迁移速度的调控规律。
2023-06-14 physics.flu-dyn
Motion and deformation of capsules flowing through a corner in the inertial and non-inertial regimes
本研究通过数值模拟分析弹性胶囊在方形通道拐角处的惯性与非惯性流动，揭示变形、应力及排斥机制，为微流体控制提供指导。
2023-05-06 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Dynamics of finite-size spheroids in turbulent flow: the roles of flow structures and particle boundary layers
本文利用完全解析的数值模拟方法研究了流体动力学湍流中中性浮力有限大小球体的平移和旋转动力学。我们研究轴对称的形状，从扁长，和粒子的体积依赖性。我们表明，非球形惯性尺度粒子的加速度和旋转所经历的体积过滤的流体力和扭矩的结果，类似于球形粒子。然而，颗粒取向携带与周围的流动结构，这是反映在不同的轴向和横向波动的加速度和旋转速率的优先对齐的签名。即使对于体积当量直径尺寸在惯性范围内的颗粒，也不会发生取向的随机化，此处在$Re_λ=120$下高达60 $η$。此外，我们表明，流体周围的颗粒边界层的作用不能被忽略，以达到定量的理解粒子的统计动力学，因为它们影响的强度的角速度，和相对于旋转旋转翻滚的相对重要性。这项研究带来了在均匀和各向同性湍流的重要性，以及它们对中性浮力体的大小在惯性范围内的运输的影响，惯性尺度的流结构。
2022-02-08 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Particle dynamics in a microfluidic T-junction vortex flow: the role of history force
University of Naples “Federico II”（那不勒斯费德里科二世大学）；Princeton University（普林斯顿大学）；CNAM-Arts et Metiers Paris Tech（国立工艺学院）
该研究在微流控T型结中，结合含Basset-Boussinesq历史力的颗粒力平衡方程，分析不同雷诺数下涡旋流对惯性颗粒运动的影响，揭示历史力减弱颗粒捕获的作用。
2026-10-12 physics.flu-dyn
Inertial focusing of neutrally buoyant spherical particle in shallow microchannels
imec
研究中性浮力球形粒子在低雷诺数流动浅微通道中所受的升力，通过浸没边界法计算粒子半径与通道高度比为0.03至0.35的升力，并提出适用于Re_p≤1的显式公式，探讨滑移边界条件对近壁升力的影响。
2026-04-28 physics.flu-dyn
Dynamics of an elliptical cylinder in confined Poiseuille flow under Navier slip boundary conditions
本研究采用光滑粒子流体动力学方法，数值探究纳维滑移边界条件下受限泊肃叶流中自由悬浮椭圆柱的动力学，揭示滑移对惯性聚焦和运动模式的调控机制，为微流控颗粒操控提供新依据。
2025-03-27 physics.flu-dyn
Turbulence at Low Reynolds Numbers
University of Pittsburgh（匹兹堡大学）
本文证明湍流可在雷诺数约为1时存在，通过方向性偏置扰动将准二维电磁驱动流中的谱能量通量放大两个数量级以上，建立了二维Navier-Stokes湍流新状态，为微流控和低雷诺数生物系统提供了多尺度输运工程策略。
2025-11-08 physics.flu-dyn
Multi-curvature viscous streaming: flow topology and particle manipulation
粘性流是指当液体围绕浸没的微特征（通常是固体或气泡）振荡时出现的整流的稳定流动。这种特征局部集中应力的能力产生强烈的惯性效应，流体和浸没的颗粒都在短的长度（0（100）微米）和时间（毫秒）尺度内响应，使得粘性流可以说是在微尺度下利用惯性的最有效的机制。尽管有这种潜力，粘性流已经在相当狭窄的条件下进行了研究，主要是利用均匀曲率的物体（圆柱体，球体），其诱导流拓扑结构仅限于两种制度，传统上称为单层和双层制度。这严重限制了潜在应用的范围，并与惯性聚焦（可能是惯性微流体领域最重要的定义方法）形成鲜明对比，而具有多个曲率的边界长期以来一直用于放大惯性效应，扩展设计空间，并实现新的应用。在这里，我们证明了粘性流的多曲率方法大大扩展了可访问的流拓扑结构的范围。我们表明，数值预测，但从来没有实验观察到的，流动可以物理再现，计算工程，并反过来用于增强粒子操作，过滤和分离的紧凑，强大，可调和廉价的设备。总的来说，这项研究提供了一种途径，可以解锁粘性流的效用，并在制造，环境，健康和医学中具有潜在的应用，从颗粒自组装到微塑料去除。
2021-11-13 physics.flu-dyn
Inertial migration of spherical and oblate particles in straight ducts
本文用数值方法研究了单个刚性球体和扁球体在正方形和矩形管道中的惯性迁移。一个高精度的界面分辨数值算法分析整个迁移动力学的扁颗粒，并比较它与球。类似于球体的惯性聚焦，扁球形粒子到达四个面心平衡位置之一，然而它们与展向方向上的对称轴垂直对齐。此外，球体和扁球体的横向轨迹在终止于平衡位置之前坍缩成平衡流形，平衡流形与球体和扁球体粒子的恒定背景剪切线相切。还提出了扁圆和球体之间的迁移的差异，特别是扁圆可能集中在管道横截面的对角对称线上，靠近其中一个角，如果其直径大于一定的阈值。此外，我们表明，最终的取向和旋转的扁圆表现出的雷诺数超过一个临界值的混沌行为。最后，我们的文件，扁颗粒的横向运动是不均匀的球形颗粒，由于其明显的翻滚运动在整个迁移。在方形管道中，在迁移的第一阶段中扁球体的强烈翻滚运动导致较低的横向速度，因此相对于球形颗粒的聚焦长度较长。相反的是，在一个矩形管道中，在迁移的第二阶段中，扁球体的横向速度较高，翻滚可以忽略不计，引起较短的聚焦长度。这些结果可以帮助微流体系统的生物应用的设计。
2017-03-16 physics.flu-dyn
Enhanced axial migration of a deformable capsule in pulsatile channel flows
本文数值研究了可变形胶囊在脉动通道流中的横向运动，发现特定频率的流动脉动能加速其轴向迁移，且最有效频率不随振荡幅度变化，为细胞流动力学及细胞聚焦技术提供了基础。
2023-05-05 physics.flu-dyn
Inertial active particles in a Poiseuille flow: negative mobility and particle separation
Indian Institute of Technology Kharagpur（印度理工学院卡拉格普尔分校）
本文研究泊肃叶流中惯性活性布朗粒子的输运特性，揭示惯性带来的负迁移率等特殊扩散规律，提出可利用质量依赖轨迹实现基于质量的粒子分离。
2025-11-18 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.comp-ph
Taylor dispersion in arbitrarily shaped axisymmetric channels
研究分析了任意形状轴对称通道中的Taylor-Aris扩散，推导出两个耦合常微分方程预测溶质区域演化，并通过模拟验证，提出通道几何设计方法以实现特定溶质宽度分布。
2023-11-20 physics.flu-dyn
Orientational dynamics of weakly inertial axisymmetric particles in steady viscous flows
研究了定常流中弱惯性轴对称粒子的定向动力学。我们推导出一个渐近运动方程的单位轴向矢量沿粒子的对称轴，适用于小斯托克斯数St，并为任何轴对称粒子在任何稳定的线性粘性流。这种减少动力学分析在两种方式，都属于一个简单的剪切流的情况下。在这种情况下，惯性引起进动和章动之间的耦合。这种耦合影响了粒子的动力学，打破了杰弗瑞轨道的简并性，并产生了两个极限周期轨道。我们计算的领先顺序Floquet指数的限制周期轨道，并分析表明，扁长物体往往翻滚的轨道，而扁圆形物体往往日志滚动轨道，与以前的分析和数值结果一致。其次，我们分析了旋转噪声时的极限轨道的作用。我们制定的福克-普朗克方程描述的轴对称粒子的取向分布，适用于小St和一般Peclet数Pe。通过球谐函数展开得到的Fokker-Planck方程的数值解表明，当Pe St << 1时，定态取向分布接近于无惯性的情况，而当Pe >> 1/St >> 1时，它们由惯性效应决定，尽管很小。
2013-07-10 physics.flu-dyn
