Fluid-Structure Interaction in Deformable Microchannels
微流体装置由PDMS构造而成，其具有单个通道，所述单个通道具有作为薄柔性膜的短部分，以研究在流动流体和可变形壁之间产生的复杂的流体-结构相互作用。膜的变形和压降的实验测量进行了比较与预测的二维和三维的计算模型，数值求解方程的弹性耦合的膜的运动方程的流体。它示出的二维模型，它假设一个有限厚度的弹性梁，是无限宽，近似合理以及三维模型，并在良好的协议与实验观察的膜的轮廓，当膜的宽度是超过一个临界厚度，确定为大约两倍的膜的长度。
2012-03-29 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Oscillatory flows in three-dimensional deformable microchannels
University of Illinois at Urbana-Champaign（伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校）；Purdue University（普渡大学）
研究三维可变形微通道中振荡流动与变形的双向耦合，通过实验验证压力分布并揭示自诱导流机制。
2025-11-02 physics.flu-dyn
A Calculator for Sediment Transport in Microchannels Based on the Rouse Number
在大雷诺数的湍流中，Rouse数常用来估计泥沙输运模式。然而，在微通道中，例如在现代喷墨系统中，液体流通常是层流。在本文中，我修改了劳斯数的情况下，扩大到弱湍流和层流，并建立了一个计算器来估计模式的泥沙输运微通道。为了说明修改后的劳斯数的适用性，我把它应用到喷墨系统中的沉积物的运输，并比较理论结果与实验观察。本文构造的修正Rouse数也可以用于其它应用。
2017-12-19 physics.flu-dyn
Interaction between vapor bubbles during flow boiling heat transfer in microchannels
State Key Laboratory of Engines, Tianjin University（天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室）；National Industry-Education Platform of Energy Storage, Tianjin University（天津大学国家储能产教融合创新平台）
通过数值模拟研究微通道流动沸腾中多个蒸汽气泡的相互作用，发现气泡数量、初始体积比、雷诺数和壁厚对气泡尺寸和聚并的影响。
2026-06-01 physics.flu-dyn
Unsteady fluid--structure interactions in a soft-walled microchannel: A one-dimensional lubrication model for finite Reynolds number
本文建立了一个考虑横向弯曲刚度和非线性轴向拉伸的梁方程与二维不可压纳维-斯托克斯方程沿通道高度深度平均得到的一维流体模型耦合的一维非定常流体-结构相互作用（FSI）模型。具体地，纳维-斯托克斯方程在与微流体相关的粘性润滑极限中缩放。由此产生的一组耦合的非线性偏微分方程数值求解，通过隔离的方法，采用全隐式时间步进。我们通过改变简化雷诺数$Re$（这必然改变Strouhal数$St$）来探索该示例微通道系统的静态和动态FSI行为，同时我们保持几何形状和修改的无量纲杨氏模量$Σ$固定。在稳定状态下，数量级分析（平衡论证）表明，在流中的轴向平均压力，$\langle P\rangle$，表现出两种不同的缩放制度，而通道的顶壁的最大变形，$H_{\mathrm{max}}$，可以落入四个不同的制度，这取决于$Re$和$Σ$的大小。这些制度的物理解释是由于流体流动中的惯性力和粘性力之间的竞争，以及在弹性壁的弯曲阻力和张力。最后，通过模态分析评估了稳定膨胀微通道形状的线性稳定性，显示了许多高度振荡但稳定的模式的存在，这进一步突出了模拟非稳态FSI的计算挑战。
2020-05-22 physics.comp-ph physics.flu-dyn
A 1D model of liquid laminar flows with large Reynolds numbers in tapered microchannels
在这篇文章中，我们建立了一个新的一维模型的微流体层流在锥形圆形和矩形通道假设在通道中的流动充分发展。在模型中，我们考虑了惯性和动压项。该模型可用于广泛的流动范围：从纯毛细流动状态，其中毛细力是通道中液体的主要驱动力，到外部压力流动状态，其中在通道入口处施加到液体的外部压力远大于通道中的毛细压力，使得毛细力可以忽略不计。我们将该模型应用于矩形Y形路口，其中的基础通道连接到一个水库和终端渠道暴露于大气中。我们发现，在不对称的Y形路口，可以有一个时间的弯月面逮捕，只有一个较小的半径填充的两个通道，和，另一个，具有较大的半径，逮捕。弯月面停止的时间随着施加的外部压力的增加而减少;当该压力变得足够大时，弯月面停止消失。然而，如果端部通道的半径比大，则不会出现弯月面停止，因为在具有较小半径的通道中的流动阻力比在具有较大半径的通道中的流动阻力大得多，使得在较宽通道中的初始流动不能被这些通道中的表面张力压力差停止。在这篇文章中，我们还研究了模型中假设的充分发展的流动近似的适用性。
2020-12-10 physics.flu-dyn
Ultrasonic Oscillatory Two-phase Flow in Microchannels
通过实验和数值模拟研究了微通道内超声振荡两相流的输运特性。这项工作的灵感来自于在一个创新的超声波织物干燥装置中观察到的流动，该装置使用具有微通道的压电双晶片换能器，其中水-空气两相流通过谐波振荡的微通道输送。由于水和空气在振动周期中相互作用，流动表现出高度不稳定的行为，使其与微通道中的稳定流动有显着不同。将湍流雷诺平均Navier-Stokes（RANS）k- $ω$模型与相场法相结合，实现了两相流的计算流体动力学（CFD）模拟。数值结果得到了实验的定性验证。通过参数研究，我们专门检查了振动条件的影响（即，频率和振幅）、微通道锥角和壁表面接触角（即，润湿性）对通过微通道的流速的影响。研究结果将为微通道内存在振荡或一般非定常两相流的场合提供参考。
2020-12-07 physics.flu-dyn
Modeling considerations about a microchannel heat sink
针对单微通道PDMS芯片，采用有限体积法模拟压差驱动下的传热，评估传导、对流、辐射及温变物性对建模假设的影响。
2024-05-07 physics.flu-dyn
Generation and application of sub-kilohertz oscillatory flows in microchannels
我们提出了一个用户友好的和通用的实验技术，产生亚千赫兹的正弦振荡流内的微通道。该方法涉及微流体管与扬声器隔膜的直接接口，以在微通道中产生振荡流，其频率范围为$10-1000$ Hz，振幅范围为$10 - 600 \ μ$ m。基于扬声器的装置允许对扬声器的制造规范所特有的频率和振幅进行独立控制。我们的技术的性能进行评估的示踪粒子的振荡运动的傅立叶谱分析，通过粒子跟踪测速，以及通过比较振荡流剖面对理论基准，如斯托克斯流在一个正方形的通道和斯托克斯的第二个问题附近的固体边界。利用振荡流和相关的稳定整流流的应用程序中演示的原型微流体配置。这些措施包括惯性聚焦和混合在低雷诺数，分别。
2019-11-18 physics.flu-dyn
Numerical study of liquid flow and heat transfer in rectangular microchannel with longitudinal vortex generators
对带有纵向涡发生器的矩形微通道内单相层流流动和换热特性进行了数值研究。采用具有温度依赖性热物理性质的去离子水进行模拟。采用基于有限体积法和SIMPLEC算法的开源流场求解器进行了三维数值模拟。五种不同的配置的微通道与不同的LVGs的攻角被认为是。模拟结果与现有的实验数据进行了比较，并实现了低于10%的偏差。结果表明，在雷诺数为100 ~ 1100的范围内，带LVG的微通道的努塞尔数增加了2-25%，而摩擦因数增加了4- 30%。除了Re=100时的一个外，所有配置LVG的微通道的总体性能都高于1。
2018-11-07 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
Rotational Instabilities in Microchannel Flows
在许多医疗和化学应用中，涉及过长的微通道，可以通过诱导流动不稳定性来增强混合。因此，由于增强的混合，在惯性微流体方案中缩短了通道长度，从而使装置紧凑且便携。出于新兴的应用实验室上的CD为基础的紧凑型微流体装置，我们分析了线性稳定性的旋转驱动的微通道流通常部署在生物化学和生物医学应用。Orr-Sommerfeld（OS）和Squire（SQ）方程耦合系统的解给出了Tollmien-Schlichting（TS）波和Coriolis力驱动的不稳定性的增长率和中性曲线。我们报告存在四种不同的不稳定模式（模式I-IV）在低雷诺数，其中只有模式I的存在是以前已知的本流配置。此外，模式一和模式二表现出相互竞争的特点。我们推断，模式III和IV可能会导致强烈的混合本地凭借强速度扰动接近接口。我们量化的潜在的所有模式，以诱导这种局部混合的界面附近的渗透深度的概念。此外，洞察能量转移的机制，从动能预算的评估得出，揭示了雷诺应力首先将能量从平均流流向速度波动。此后，科里奥利力将轴向动量重新分配到展向和壁面法线方向，从而产生经常观察到的滚动单元结构。我们的预测与报道的实验卷细胞的定性比较表明模式I和II的共存。
2018-07-30 physics.flu-dyn
Coriolis force-based instability of a shear-thinning microchannel flow
基于科里奥利力的不稳定性机制，在处理剪切稀化流体如血液的快速旋转便携式装置上，对于通过与合适的试剂混合最终检测疾病是至关重要的。基于这一命题，本研究采用Carreau流变定律对旋转微通道中剪切稀化流体进行了模态稳定性分析。当微通道被刻在基于旋转光盘（CD）的装置上时，离心力充当驱动流动的驱动力，并且科里奥利力通过使流动不稳定而在显著短的跨度内增强混合过程。一个OrrSommerstan-Squire分析进行探讨的作用，这些力量的线性稳定性的旋转剪切变稀流。有流向扰动的剪切稀化流动的研究结果表明，粘性扰动下流动转变的临界雷诺数约为无粘性扰动时临界雷诺数的一半。与此形成鲜明对比的是，考虑展向扰动的本分析表明，在旋转效应下，有粘性扰动和无粘性扰动的临界雷诺数几乎保持不变。然而，粘度变化对基于科里奥利力的不稳定性没有显著影响。数值结果表明，在科里奥利力的作用下，通道内产生二次流，从而使通道发生严重的失稳。有趣的是，在较低的时间常数的不稳定性所对应的滚动细胞表现出两个不同的涡的存在，和较强的一个中心基本上是朝着不稳定的分层区域解决。此外，对于较高的时间常数值，只有一个涡流占据整个通道。
2020-02-18 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
Numerical study of freezing efficiency for a moving droplet in the microchannel
本研究耦合VOF方法与焓-多孔介质相变模型，数值模拟微通道中移动液滴的冻结过程，揭示两种凝固模式，并建立冻结时间统一标度关系，发现增大Ste和Re缩短冻结时间，增大D/W比延长冻结时间，且温度与液滴尺寸影响更显著。
2025-08-08 physics.flu-dyn
Long-lived and unstable modes of Brownian suspensions in microchannels
本文研究了微通道中含球形颗粒的布朗悬浮液在压力驱动下的低雷诺数流动的稳定性。我们发现两个一般家庭的稳定/不稳定的模式：（i）退化模式的对称和反对称模式;（ii）单一的模式，无论是对称或反对称。简并模式的浓度分布在通道壁附近有很强的峰值，而单模在那里减弱。一旦兴奋，这两个家族都可以通过高速成像检测到。我们发现，不稳定的模式发生在浓度悬浮液的速度分布是足够平坦的通道中心线附近。增长的不稳定模式的模式表明，它们被触发，由于布朗迁移的颗粒之间的中央散装移动几乎恒定的速度，和高度剪切的低速区域附近的壁。模式被放大，因为剪切诱导的扩散不能有效地分散粒子从扰动速度场的空腔。
2012-04-12 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
Swimming near Deformable Membranes at Low Reynolds Number
在自然界中，很少发现微生物在无限的流体中自由游动。相反，它们通常会遇到其他生物体、硬壁或可变形的边界，如自由界面或膜。游泳者和附近物体之间的流体动力学相互作用导致许多有趣的现象，例如游泳速度的变化，积累或转向的趋势，以及协调的鞭毛跳动。受这类问题的启发，我们研究了变形边界附近的微生物运动。我们计算了无限长的游泳者接近分离两种流体的柔性表面的速度，我们还计算了柔性表面的变形和游泳速度。当柔性界面两侧的粘度不同时，我们发现流体沿着或逆着游泳方向被泵送，这取决于哪个粘度更大。
2013-10-18 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Three dimensional simulations of viscous folding in diverging microchannels
采用多相流并行程序BLUE对Cubaud和Mason报道的分叉微通道内的粘性折叠进行了三维数值模拟。粘性较大的液体L_1从中心入口注入通道，粘性较小的液体L_2从两侧入口注入通道。液体L_1由于在通向发散区的长通道中的流体动力学聚焦而呈细丝状。然后，由于液体L_2的发散流施加到线上的纵向压应力，线变得不稳定，直至折叠不稳定。由于计算时间较长，我们仅限于一个参数研究，包括五个模拟，其中流速比，粘度比，雷诺数，和通道的形状相对于参考模型变化。在我们的模拟中，通过聚焦产生的线的截面是椭圆形而不是圆形。初始折叠轴线可以平行于或垂直于腔室的狭窄尺寸。在前一种情况下，折叠通过扭曲慢慢转变为垂直折叠，或者它可能保持平行。折叠开始的方向由速度分布和供给细胞的发散部分的通道中的线截面的椭圆形状确定。由于高粘度对比度和非常低的雷诺数，直接数值模拟这种两相流是非常具有挑战性的，据我们所知，这些是第一个三维直接并行数值模拟的粘性线程在微通道。我们的模拟提供了很好的定性比较的早期时间发作的折叠不稳定性，然而，由于这些模拟的计算时间是相当长的，对于这样的粘性线程，长期比较与实验的数量，如折叠频率是有限的。
2016-09-13 physics.flu-dyn
Soft swimming: Exploiting deformable interfaces for low-Reynolds number locomotion
往复运动不能用于在低雷诺数下在无限流体中或刚性表面附近的运动。在这里，我们表明，对于在可变形界面附近进行往复运动的物体，这一限制是放松的。使用物理参数和缩放关系，我们表明，由相互流动引起的界面变形所产生的非线性整流的游泳者的周期性运动，导致运动。这样的策略可以用来移动朝向，远离和平行于任何可变形的界面，只要涉及的长度尺度小于内在尺度，我们确定。一个近自由面的宏观扑翼运动实验说明了这一新的结果。
2008-06-27 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Reduced modelling and global instability of finite-Reynolds-number flow in compliant rectangular channels
实验已经表明，在顺应性微通道中的流动可以在比刚性导管中的相应流动低得多的雷诺数下变得不稳定。因此，有人建议，壁的弹性顺应性，可以利用对新的模式的微尺度混合。虽然以前的研究主要集中在局部不稳定性引起的流体-结构相互作用（FSI）在系统中，我们推导出一个一维（1D）模型来研究FSI的整体不稳定性的影响。所提出的1D FSI模型是针对长的，浅的矩形微通道与可变形的顶壁，类似的实验。超越通常的润滑流动分析，在这些几何形状，我们包括有限的流体惯性和耦合的减少流量方程到一个新的减少一维壁变形方程。虽然与以前的实验进行定量比较是困难的，所提出的模型的行为与实验观察结果定性一致，并捕获几个关键的影响。具体地说，我们找到了1D FSI模型的膨胀基态对无穷小扰动线性不稳定的临界条件。临界雷诺数的预测与实验观察。不稳定模式是高度振荡的，频率接近壁的固有频率，这表明所观察到的不稳定性是共振现象。此外，在从未变形的初始状态启动期间，FSI可以触发自持振荡。我们的建模框架可以应用到其他微流体系统在不同的操作条件下具有类似的几何尺度分离。
2022-10-24 physics.flu-dyn
Optimizing Sorting of Micro-Sized Bio-Cells in Symmetric Serpentine Microchannel using Machine Learning
本文采用CFD模拟和机器学习研究对称蛇形微通道内微尺寸生物细胞的分选，开发的数据驱动模型在预测通道雷诺数时准确率达92%，但在预测所需通道环数时仍面临挑战。
2023-08-03 physics.bio-ph physics.flu-dyn
Inertial migration of a deformable particle in pipe flow
我们进行完全欧拉数值模拟的初始球形超弹性粒子悬浮在牛顿压力驱动流在圆柱形直管。我们研究了不同雷诺数和不同水平的颗粒弹性的完整的颗粒迁移和变形，解开惯性和弹性的相互作用的颗粒聚焦。我们观察到，颗粒变形，并经历了横向位移，而通过管道向下游行进，最后集中在管道中心线。我们注意到，迁移动力学和最终平衡位置几乎与雷诺数无关，而它们强烈依赖于颗粒弹性;特别是，随着弹性的增加，迁移速度更快（即颗粒更易变形），颗粒在更短的时间内到达中心线处的最终平衡位置。我们的模拟表明，结果不受粒子的初始条件，位置和速度。最后，我们通过计算作用在颗粒及其不同组分（粘性和弹性）上的总作用力来解释颗粒迁移。
2019-09-24 physics.flu-dyn
Boundary Condition Induced Passive Chaotic Mixing in Straight Microchannels
该研究提出在直微通道底部设置非对称疏水滑移边界，以拉伸折叠与混沌平流强化低雷诺数被动混合，并显著缩短混合长度。
2021-11-06 cond-mat.mes-hall physics.app-ph physics.comp-ph
Hydrodynamic Ratchet for Tracer Transport in a Soft Microchannel: A Detailed Analysis
本文分析了软微通道中局部反演对称性破缺的流体流动模型，揭示了在特定条件下微米级示踪粒子在起伏速度场中发生的流体动力学棘轮效应。
2025-10-14 cond-mat.stat-mech physics.flu-dyn
Cross-stream migration characteristics of a deformable droplet in a non-isothermal Poiseuille Flow through Microfluidic Channel
采用解析和数值方法研究了平行板微通道内悬浮变形液滴在横向恒定温度梯度和压力驱动流共同作用下的迁移特性。微通道中的任何预定义的横向位置可以通过液滴获得，这取决于在交叉流方向上施加的温度梯度或液滴相对于通道宽度有多小。对于解析解，使用渐近方法，其中我们忽略任一相中流体的惯性或热对流的任何影响。为了获得数值解，我们使用保守水平集方法。流场中温度的变化导致液滴界面处切向应力分量的跳跃。这种应力分量的跳跃，即热Marangoni应力，是控制液滴轨迹的重要因素。液滴的横流迁移方向由临界Marangoni应力的大小决定，对应于该临界Marangoni应力，液滴保持静止。为了分析实际的微流体设置，我们做数值模拟，我们考虑壁效应以及热对流和有限形状变形对液滴的横流迁移的影响。
2017-05-04 physics.flu-dyn
Unified Framework for Laser-induced Transient Bubble Dynamics within Microchannels
该研究针对微通道内激光诱导瞬态气泡动力学，结合理论与实验建立统一框架，揭示特征尺度与通道几何的关联，发现低雷诺数振荡流中的瞬时流动畸变并分阶段分析其机制，为空化驱动微系统设计提供依据。
2024-07-30 physics.app-ph physics.flu-dyn physics.optics
Inertial focusing in two dimensional flows with sharp viscosity stratification in a microchannel
最近的实验研究表明，粒子传输通过流线可以被动地控制使用分层流动的同向流在有限的雷诺数。分层通过未扰动速度剖面的曲率来修改作用在颗粒上的力。在这项研究中，我们数值分析了两种不同粘度的液体在两个无限大的平行板之间相互平行流动的分层流中的颗粒迁移。考虑了两种不同流场中的颗粒迁移：（i）Couette流和（ii）Poiffille流。采用浸没边界法的数值方法进行二维模拟，并确定粒子从一种流体迁移到另一种流体时可能发生的条件。这意味着在没有膜的情况下从流体中分离颗粒。分析了粘度比、流量比、雷诺数和颗粒尺寸对聚焦位置的影响，以确定颗粒从一种流体迁移到另一种流体的条件。结果表明，当低粘度流体的持液率足够高时，分层库埃特流中的颗粒向低粘度流体迁移。在Poillille流中，对于固定的粘度比，超过临界流量比，颗粒迁移到粘性较低的流体。该临界流速比随颗粒尺寸而增大。
2019-10-20 cond-mat.soft physics.comp-ph physics.flu-dyn
Inertial flow around obstacles in microchannels
再循环尾迹的形成是钝体惯性绕流的一个显著特征。在均匀无界流中，在旋涡脱落开始之下，再循环尾流区域中的流体在封闭的平面轨道上移动。因此，定常尾流是流动中的隔离区，并且不与自由流交换流体。在这项工作中，我们利用格子玻尔兹曼模拟和微流体实验来证明，在微通道惯性流动的牛顿流体，再循环尾流被取代的三维涡流。螺旋流线在障碍物后面的涡流和自由流之间产生连续的流体交换。流动惯性由定义为$Re = \frac{u_{max}D_{y}}ν$的雷诺数表示，其中$u_{max}$是通道入口中的最大流体速度，$D_{y}$是特征障碍物长度，并且$ν$是流体运动粘度。我们讨论了$Re$、障碍物形状和壁面约束对流体进入旋涡的影响。此外，我们表明，在流动的稀悬浮液的颗粒周围的障碍物，流体进入涡流也可以导致在捕获的颗粒。
2017-10-11 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Swimming at small Reynolds number of an elliptical disk propelled by an elliptically polarized surface wave
本文从可变形无限大薄板附近流体流动的纳维-斯托克斯方程的摄动解出发，研究了小雷诺数下椭圆圆盘的游动。本文推广Taylor和Tuck的工作，研究了椭圆极化平面表面波的行程。通常，冲程的椭圆极化导致上下半空间中的流动的不对称性。根据无限大薄板的结果，推导出了尺寸远大于划水波长的椭圆圆盘的平均平动和转动游动速度的表达式。此外，表达式推导出的平均功率和效率的游泳。
2016-12-20 physics.flu-dyn
Theory of the flow-induced deformation of shallow compliant microchannels with thick walls
嵌入厚软材料中的长而浅的微通道被广泛用于芯片实验室应用的微流体装置中。然而，内部粘性流和软壁之间的流体-结构相互作用引起的膨胀效应尚未完全了解。以前的模型要么包含拟合参数，要么专用于具有板状壁的通道。本文对厚壁柔性微通道的稳态响应进行了理论研究。利用低雷诺数流动的润滑理论和线弹性各向同性固体的理论，我们获得了流动和变形的摄动解。具体地，仅考虑通道的顶壁变形，并且其厚度$t$与宽度$w$之间的比率被假定为$(t/w)^2 \gg 1$。我们表明，在每个流向横截面的变形可以被认为是独立的，顶壁可以被看作是一个简单的支持矩形受到均匀的压力在其底部。采用傅立叶级数求解应力场和位移场，并在此基础上计算出流道形状和流体阻力，得到了一种无需拟合参数的流量-压降关系式。我们的结果与之前的实验一致，从而合理化了之前的实验。
2019-10-18 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Suspensions of deformable particles in Poiseuille flows at finite inertia
我们分析了压力驱动流中的可变形颗粒悬浮液。悬浮液是由中性浮力最初的球形颗粒和牛顿载体流体，并通过直接的数值模拟，使用一个完整的欧拉方法的基础上的一个连续制定解决的流量。固相采用不可压缩的粘性超弹性本构关系建模，流动的特征由固相体积分数、雷诺数和毛细管数三个主要的无量纲参数表征。有效粘度对这三个量的依赖关系进行了研究，以研究惯性效应对悬浮的可变形颗粒。可以观察到，悬浮液具有剪切稀化行为，并且在高剪切速率下有效粘度的降低在更密集的配置中被强调。雷诺数和毛细管数的单独分析表明，有效粘度取决于毛细管比雷诺数。此外，我们的模拟表现出一致的趋势，可变形的颗粒向中心的通道，其中的剪切速率是低的。这种现象对于非常稀的悬浮液特别明显，其中靠近壁的整个区域没有颗粒。此外，当体积分数增加时，由于更高的相互颗粒相互作用，该近壁区域逐渐被占据。变形能力在这个过程中也起着重要的作用。事实上，在高毛细管数下，颗粒对剪切速率变化更敏感，并且可以更容易地改变它们的形状以在通道的中心区域容纳更多数量的颗粒。
2020-10-20 cond-mat.soft physics.flu-dyn
A passive Stokes flow rectifier for Newtonian fluids
纳维-斯托克斯方程的非线性效应在不允许流体流整流的牛顿流体流的Stokes状态下消失。在这里，我们在数学和实验上表明，被动流动整流牛顿流体是可压缩和不可压缩的流动的斯托克斯制度下，通过引入非线性，否则线性斯托克斯方程。非对称流动阻力出现在具有可变形顶板的浅喷嘴/扩压器微通道中，其中流体流动由非线性流固耦合力学方程控制。流体流动整流已经被证明用于普通牛顿流体（例如空气、水和酒精）的低雷诺数流动（Re ~ O（0.001）-O（1））。该机理为低雷诺数流体流动的调节奠定了基础，在精密低流量微泵、药物输送系统等方面具有潜在的应用前景。
2018-11-20 physics.flu-dyn
Asymptotic Nusselt numbers for internal flow in the Cassie state
我们认为层流，充分发展，Poiffille流动的液体在卡西态通过非绝热，平行板微通道对称纹理与等通量脊。通过使用匹配的渐近展开，我们解析地开发（表观流体动力学）滑移长度和各种定义的努塞尔数的表达式。我们的小参数（$ε$）是脊的间距除以微通道的高度。当脊的方向平行于流动，我们量化的努塞尔数表达式在文献中的错误，并提供了一个新的封闭形式的结果。后者精确到$O\left(ε^2\right)$，对任何固体（脊）分数都有效，而目前文献中的那些精确到$O\left(ε^1\right)$，当固体分数接近零时，在重要极限处失效。当脊的方向横向于（周期性充分发展的）流动时，忽略滑移长度中惯性效应的相关误差为$O\left(ε^3\mathrm{Re}\right)$，其中$\mathrm{Re}$是基于其水力直径的通道尺度雷诺数。相应的努塞尔数表达式是新的，其精度被证明是依赖于雷诺数，Peclet数和普朗特数除了$ε$。操纵的解决方案遇到的内部温度的问题在附近的脊表明，热扩散阻力的经典结果更好地表示在polylogarithm函数。
2022-11-24 physics.flu-dyn
Regulation of droplet size and flow regime by geometrical confinement in a microfluidic flow-focusing device
本研究通过耦合水平集与流体体积的CFD模型，系统探究几何约束、流速及界面张力对流动聚焦微通道内液滴形成状态的影响，发现改进型通道可增强滴落并缩小挤压状态，为高通量单分散微液滴生产提供设计指导。
2025-10-08 physics.flu-dyn
Deep-learning Assisted Extraction of Fluid Velocity from Scalar Signal Transport in a Shallow Microfluidic Channel
精确测量微流控通道中的流速在定量化学分析、样品制备和药物合成等微流控应用中具有重要意义。然而，快速，精确地测量微通道中的流速的简单方法仍然缺乏。在此，我们提出了一种深度神经网络辅助标量图像测速（DNN-SIV），用于从具有时空梯度的染料浓度场快速准确地提取具有高纵横比的浅微流体通道中的流体速度，这是细胞培养的基本几何形状。DNN-SIV是建立在物理信息神经网络和残差神经网络，集成的数据的标量场和物理定律，以确定在高度方向上的速度。从纳维-斯托克斯方程和标量输运方程导出了基本的强制物理定律。此外，采用动态浓度边界条件对微通道内小雷诺数层流的速度测量进行了改进。通过数值仿真对提出的DNN-SIV进行了验证和分析。与传统SIV中使用的积分最小化算法相比，DNN-SIV对测量标量场中的噪声具有鲁棒性，并且更有效地允许实时流动可视化。同时强调了合理构建微通道内浓度场的重要意义。本文提出的DNN-SIV对初始条件和边界条件是不可知的，这可能是微流控芯片中许多潜在应用的有前途的速度测量方法。
2021-12-01 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
A Lattice Boltzmann dynamic-Immersed Boundary scheme for the transport of deformable inertial capsules in low-Re flows
在这项工作中，一个动态浸没边界方法结合BGK-格子-玻尔兹曼技术的开发和批判性的讨论。流体演化是在具有19个网格速度（D3 Q19计算分子）的三维晶格上获得的，而浸没的身体表面被建模为响应于弹性势和弯曲阻力的拉格朗日点的集合。一个移动的最小二乘重建被用来精确地插值流量和强制执行的边界条件，浸没机构所需的强迫场。该模型被广泛验证对众所周知的基准数据的刚性和可变形的物体。刚性运输是通过计算在重力作用下的球体在五种不同条件下的沉降来验证的。然后，考虑不同形状的惯性粒子的翻滚，恢复了长椭球的Jefferey轨道。此外，旋转周期的扁球体和盘状颗粒作为雷诺数的函数。证明了存在一个临界雷诺数以上的革命被抑制的两种情况。还考虑了可变形物体的运输。评估了三种不同机械刚度下薄膜在剪切作用下的稳态变形。在此基础上，系统地分析了剪切作用下弱变形椭球体的滚转特性与应变刚度、抗弯刚度和膜质量的关系。
2022-07-13 cs.NA math.NA physics.flu-dyn
Physical mechanisms governing drag reduction in turbulent Taylor-Couette flow with finite-size deformable bubbles
通过将气泡注入湍流载流流体中而引起的减阻现象已经被人们知道很长时间了;然而，对支配控制参数和基本物理学还没有很好地理解。在本文中，我们使用三维数值模拟揭示的影响，变形的气泡注入湍流泰勒-库埃特流的总阻力经历的系统。我们考虑两种不同的雷诺数的载体流，即$Re_i=5\times 10^3$和$Re_i=2\times 10^4$ ;通过韦伯数的范围内变化的$We=0.01 - 2.0$的气泡的变形性进行控制。我们的数值模拟表明，增加气泡的变形能力，$We$导致减阻增加。我们看看不同的物理效应，有助于减阻和分析他们的个人贡献，增加气泡变形能力。局部角速度通量的分布表明，在气泡的存在下，湍流增强的内筒附近，而在本体和外筒附近衰减。我们连接的阻力减少的增加，减少耗散的高度变形的气泡附近的内圆筒的尾流。
2018-05-10 physics.flu-dyn
Dynamics of deformable straight and curved prolate capsules in simple shear flow
本文研究了零雷诺数条件下无边界简单剪切流中中性浮力、微变形的直线和曲线扁长胶囊的运动。弯曲的胶囊作为镰状细胞病（SCD）中典型的新月形镰状红细胞的模型。揭示了变形能力和曲率对动力学的影响。我们表明，与低变形，直扁长球形胶囊翻滚在剪切平面作为其独特的渐近稳定的轨道，这与刚性球体的无穷多个中立稳定的Jeffery轨道存在。由于变形性和曲率的综合作用，弯曲的扁长囊的动力学更加复杂。在短时间内，根据初始方向，轻微变形的弯曲扁长胶囊表现出类似杰弗里的运动，如翻滚或皮划艇，或非杰弗里的行为，其中胶囊的端到端向量来回穿过剪切梯度平面。然而，在很长一段时间内，一个类似杰弗里的准周期轨道是采取无论初始方向。我们进一步表明，可以很好地近似使用Jeffery轨道的有效轨道常数$C_{\textnormal{eff}}$和纵横比$\ell_{\textnormal{eff}}$的解析解的长时间轨迹的平均值。当太空舱变得更易变形或弯曲时，$C_{\textnormal{eff}}$减小，表明轨道向原木滚动运动移动，而$\ell_{\textnormal{eff}}$随着曲率的增加而微弱地增加，但对变形性的依赖性可以忽略不计。由于细胞变形性、细胞形状和细胞-细胞相互作用在血液疾病如SCD中均发生病理改变，这些结果将对提高我们对血液疾病病理生理学的理解具有明确的意义。
2018-11-27 physics.flu-dyn
Flow rate--pressure drop relation for deformable shallow microfluidic channels
由软材料制成的装置中的层流导致通道几何形状的变形，这影响流速-压降关系。对于给定的压降，在具有窄矩形横截面的通道中，流速随着通道高度的立方而变化，因此变形可以产生显著的定量效应，包括对压降的非线性依赖性[{Gervais，T.，El-Ali，J.，Günther，A. \& Jensen，K.\ F.} 2006年，流动诱导的浅微流体通道变形。\textit{Lab Chip} \textbf{6}，500- 507]。Gervais et.等人提出了一个成功的变形引起的流量变化的模型，通过耦合胡克弹性响应与斯托克斯流的润滑近似。然而，他们的模型包含一个拟合参数，必须通过实验为每个通道形状找到该参数。我们提出了一个扰动方法的流量-压降关系在一个浅的可变形的微通道使用各向同性准静态板弯曲理论和斯托克斯方程下的润滑近似（具体地说，通道的高度，它的宽度和通道的高度，它的长度的比值都假设很小）。我们的结果不包含自由参数，并确认Gervais等。al.的观察，流量是一个四次多项式的压力下降。推导出的流量-压降关系与实验测量结果相比，毫不逊色。
2018-01-03 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Evaporation of a deformable droplet under convection
该研究通过界面分辨模拟探究对流下可变形液滴的蒸发规律，评估经典与A-S模型的性能，发现强对流下模型预测存在偏差，液滴变形强化蒸发，A-S模型整体表现更优。
2025-07-23 physics.flu-dyn
Numerical Study on Flow and Heat Transfer of Water and Liquid Metals Within Micro-Scale Heat Sinks for High Heat Dissipation Rate Applications
紧凑型和小型换热器由于其大的表面积与体积比而可以处理高散热率。涉及高散热率的应用包括但不限于紧凑的微电子处理单元、高功率激光器阵列、燃料电池以及裂变电池。低维护成本、小尺寸和小尺寸以及高对流传热系数使微型散热器成为高散热率应用的高效可靠的冷却解决方案。尽管有这些优点，但在微尺度散热器内发生的大压降限制了它们的利用。据报道，在微通道的壁处的滑动可将摩擦系数降低高达30%，这取决于微通道的水力直径。通过数值模拟研究了壁面滑移对微尺度热沉内液体流动的摩擦系数和努塞尔数的影响。在相同的质量流率和入口雷诺数，得到的结果表明，在2微米的顺序上的滑移长度提高了近6%的无滑移边界条件相比，微型散热器的整体thermalhydraulic性能。与无滑移边界条件相比，通道平均努塞尔数增加了4%，而泵浦功率降低了8%。
2021-06-13 physics.flu-dyn
A hydrodynamic slender-body theory for local rotation at zero Reynolds number
细长物体在微尺度流动问题中是常见的，从柔软的可变形传感器到生物细丝，如鞭毛和纤毛。虽然许多研究都集中在这些细长体的局部平移运动，相对较少的关注已给予局部旋转，即使它可以是运动的主要组成部分。在这项研究中，我们探讨了一个经典的动机anananomaly旋转细长体周围的Stokes流通过叠加rotlet奇点，这使得我们提出了一个替代anomaly，占平移和旋转。通过一个渐近分析，是由数值例子支持，我们确定这些流ansatzes捕获的流体速度在细长体的表面的适用性，假设局部轴对称的对象，但允许的横截面半径随arclength变化。除了正式证明所提出的细长体ansatzes，这种分析揭示了一个显着简单的局部角速度和施加在身体上的扭矩，我们称之为阻力矩理论之间的关系。虽然让人想起经典的阻力理论，这种局部关系被发现是代数准确的细长体的纵横比，即使当翻译是存在的，是有效的，并要求每当本地旋转有助于在领先的渐近秩序的表面速度。
2023-02-02 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 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
Fluid-Structure Interaction and Scaling Laws for Deterministic Encapsulation of Hyperelastic Cells in Microfluidic Droplets
Shanghai University（上海大学）
本文基于流-结构相互作用和拓扑界面变化，提出统一的无量纲尺度定律，用于预测微流体滴中确定性封装超弹性细胞的操作空间，同时揭示细胞对滴生成流态的调节作用。
2026-03-17 physics.flu-dyn
Microfluidic pressure-driven flow of a pair of deformable particles suspended in Newtonian and viscoelastic media: A numerical study
本研究通过混合有限元方法数值探究微通道压力驱动流中，牛顿与黏弹性介质内一对可变形弹性颗粒的水动力相互作用，定量明确其自发有序的条件，为微流控颗粒排序装置设计提供支撑。
2023-12-19 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Electrohydrodynamic migration of a surfactant-coated deformable drop in Poiseuielle flow
在这项研究中，我们试图探索的后果表面活性剂涂层上的电流体动力学操纵的平面Poiffielle流中的液滴运动。此外，我们考虑散装不溶性表面活性剂和表面活性剂浓度的表面张力的线性依赖性。随后使用双渐近摄动法在小电雷诺数和毛细管数的限制下的扩散为主的表面活性剂的传输机制。也超越了广泛采用的轴对称框架，在三维控制微分方程的耦合系统，然后解决了采用“广义兰姆解决方案技术”。关键变量的表达式表明，外部流的流动曲率，电场效应和表面活性剂的影响耦合在一个非平凡的方式，远远超出了线性叠加。一个仔细的调查表明，表面诱导的Marangoni应力相互作用的电流体动力学应力在一个高度耦合的方式。因此，在电导率和介电常数比、梅森数和所施加的电场方向的不同组合下，表面活性剂对液滴的纵向以及横向流迁移速度的影响不同。目前的结果可能是最重要的，在提供一个深刻的洞察力的基础上复杂的物理机制。最重要的是，表面活性剂在不同方向上选择性地控制液滴运动的能力使它们适合于在微流体装置中实现液滴的电致动的新自由度。
2018-06-26 physics.flu-dyn
Combustion and Evaporation of Deformable Fuel Droplets
本研究通过DNS模拟探究了对流下可变形燃料液滴的燃烧与蒸发，发现韦伯数提升总蒸发率且燃烧不受形状影响，并证明2-D模拟无法准确重现3-D物理行为。
2023-07-31 physics.flu-dyn
Immersed-finite-element method for deformable particle suspensions in viscous and viscoelastic media
粘性和粘弹性介质中的可变形弹性体构成了合成和生物复杂流体的很大一部分。我们提出了一种并行化的三维模拟方法，它完全解决了固体和流体域的动量平衡。浸没边界算法被称为浸没有限元法（IFEM），它精确地确定了固体域中的内力。该方案的优点是不需要重新划分网格，处理有限的Elderold数，以及将非线性粘弹性的流体域。我们的算法是专为计算效率高的模拟混合结构类型的多颗粒悬浮液。在IFEM中的固体域中的内力计算与基于有限体积的不可压缩流体求解器耦合，这两者都是大规模并行化的分布式存储器架构。我们进行了广泛的案例研究，以确保我们的算法的保真度。即，在粘性和粘弹性介质中进行了一系列胶囊、红细胞和弹性固体可变形颗粒的单颗粒模拟。我们所有的结果是在良好的定量协议与相应的文献中报道的数据是基于不同的模拟平台。此外，我们评估的准确性多粒子模拟的血液悬浮液（血浆中的红细胞），有和没有血小板。最后，我们提出了一种新的模拟多个固体变形物体在粘弹性介质中的结果。
2019-03-08 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Geometry-Driven Segregation in Periodically Textured Microfluidic Channels
K.N. Toosi University of Technology（K.N.托伊西理工大学）；Institute for Research in Fundamental Sciences (IPM)（基础科学研究院）
研究周期性纹理微流体通道中长形微粒输运动力学，揭示几何结构驱动颗粒沿通道中心线对齐的机制，提出设计被动分选或聚焦非对称颗粒的微流体设备方法。
2026-03-20 cond-mat.stat-mech physics.comp-ph physics.flu-dyn
Boundary elements method for microfluidic two-phase flows in shallow channels
在下面的工作中，我们将边界元法应用于浅微通道中的两相流，其中一相是分散的，不润湿通道壁。这些类型的流动经常在微流体芯片实验室装置中遇到，并且其特征在于低雷诺数和低毛细管数。假设这些通道是均匀的高度，并有一个大的纵横比，我们使用深度平均方程来描述这些两相流使用Brinkman方程，这构成了一个完善的达西定律。这些偏微分方程离散化和数值求解使用边界元法，其中的稳定计划被应用到表面张力条款，允许在低毛细管数的限制性较低的时间步长。数值算法的收敛性检查对静态解析解和动态测试情况。最后将该算法应用于Saffman-Taylor不稳定性的非线性发展，并与膨胀流中液滴变形的实验研究进行比较。
2014-11-11 physics.flu-dyn
Modelling fluid deformable surfaces with an emphasis on biological interfaces
流体可变形表面在细胞和组织生物学中普遍存在，包括脂质双层、肌动球蛋白皮质或上皮细胞片。这些接口表现出弹性，低雷诺数界面流体力学，化学和几何形状之间的复杂的相互作用，并管理重要的生物过程，如细胞交通，分裂，迁移，或组织形态发生。为了解决这类问题所带来的建模挑战，其中界面现象与表面的形状和动力学紧密相互作用，我们开发了一个通用的连续介质力学和计算框架的流体可变形表面。流体变形表面的固-流双重性质挑战了经典的拉格朗日或欧拉变形体描述。在这里，我们扩展的概念，拉格朗日-欧拉（ALE）配方，以及建立散装介质，变形表面。为了系统地开发流体可变形表面的模型，一致地对待所有场和几何形状之间的耦合，我们遵循一个非线性Onsager形式主义，根据该动态最小化Rayleighian功能的耗散，功率输入和能量释放率竞争。最后，我们提出了新的计算方法，建立在Onsager的形式主义和我们的ALE制定，处理由此产生的刚性系统的高阶偏微分方程。我们将我们的理论和计算方法应用于脂质双层和细胞皮层的经典模型。这里开发的方法使我们能够制定/模拟这些模型的第一次在其完整的三维通用性，占有限的曲率和有限的形状变化。
2018-12-06 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.comp-ph
