A flowing pair of particles in inertial microfluidics
惯性微流体中的一对流动粒子为理解和控制微流体设备中的细胞或液滴等粒子的集体动力学提供了重要的见解。它们被应用于医学细胞分析和工程。利用格子玻尔兹曼方法研究了一对固体颗粒在矩形微通道中流动的动力学行为。我们确定的惯性升力剖面作为两个粒子的位置，它们的轴向距离，和雷诺数的函数。一般来说，在流动中领先和落后的颗粒之间的轮廓明显不同，并且由于第二颗粒的存在，升力增强。在小的轴向距离处，它们由粘性力决定，而在大的分离处，惯性力占主导地位。取决于初始条件，两粒子升力与Poiffille流结合产生三种类型的未结合粒子轨迹，称为移动分开，通过和交换，以及一种类型的结合轨迹，其中粒子执行阻尼振荡。阻尼率与雷诺数平方成比例，因为惯性力负责将颗粒驱动到其稳态位置。
2018-05-24 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Particle pairs and trains in inertial microfluidics
交错和线性的多粒子序列构成惯性微流体中的特征结构。使用格子玻尔兹曼模拟，我们研究它们的性质和稳定性，当流过微流体通道。我们确认的稳定性的交叉流线对显示他们如何收缩或扩大到他们的平衡轴向距离。相比之下，相同的流线对会迅速扩展到一个特征性的分离，但即使在很长一段时间内也会慢慢地分开。我们再现了实验中测得的具有特征峰的粒子间距分布。初始粒子间距大于平衡距离的交错多粒子列由于集体减阻而非均匀收缩。线性粒子列车，类似于对，迅速扩大到一个值约两倍的平衡距离交错列车，然后非常缓慢地漂移分开不均匀。再次，我们重现的粒子距离的统计和实验中观察到的特征峰。最后，我们彻底分析了阻尼位移脉冲作为微流体声子通过交错训练旅行，并显示如何强烈的缺陷阻尼其传播。
2020-07-01 cond-mat.soft 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
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
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
Feedback control of inertial microfluidics using axial control forces
惯性微流体是一种很有前途的工具，许多实验室上的芯片应用。雷诺数大于1的通道流中的颗粒在方形和矩形通道截面中经历横向流线迁移到一组离散的平衡位置。这种效应已被广泛用于颗粒分选和颗粒特性分析。使用格子玻尔兹曼方法，我们确定在正方形和矩形截面的平衡位置和分类不同的雷诺数，颗粒尺寸和通道纵横比的稳定性类型。因此，我们的研究结果有助于设计用于颗粒分选的微流体通道。此外，我们演示了如何轴向控制力，这减慢了粒子，移动稳定的平衡位置向通道中心。最后，粒子然后停留在中心线上的力超过阈值。这种效果是敏感的颗粒尺寸和通道雷诺数，因此建议一种有效的方法，颗粒分离。结合滞后反馈方案，我们甚至可以增加颗粒吞吐量。
2014-02-03 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Lateral migration of living cells in inertial microfluidic systems explored by fully three-dimensional numerical simulation
细胞的大小和变形能力的影响的横向迁移和变形的活细胞流动通过一个矩形的微通道已被数值研究和比较的惯性微流体数据检测和分离的细胞。这项工作的结果表明，细胞移动更接近中心线，如果他们更大和/或更易变形，他们的平衡位置主要是由溶剂（胞质溶胶）的粘度，这是远远低于聚合物（细胞骨架）的粘度在大多数流变系统中测量。模拟还表明，减小通道尺寸导致不同粘弹性性质的颗粒的平衡位置的较大差异，为下一代微流控细胞分离芯片提供设计指导。
2013-06-19 cond-mat.soft physics.flu-dyn q-bio.CB
Optimal control of colloidal trajectories in inertial microfluidics using the Saffman effect
在惯性微流体中，Poiffille流中的胶体颗粒经历Segré-Silberberg升力，该升力将它们驱动到通道截面中的特定位置。由于Saffman效应，沿微通道施加的外力引起横向流线迁移到新的平衡位置。我们应用最优控制理论来设计轴向控制力的时间协议，以便尽可能精确地将单个颗粒从通道入口引导到选定目标位置处的出口。我们讨论了颗粒半径和通道长度的影响，并表明，最佳的转向比使用恒定的控制力更便宜。使用一个单一的优化控制力协议，我们证明，即使是脉冲的粒子沿通道轴传播可以转向到一个目标，不同半径的粒子可以最有效地分离。
2020-06-12 cond-mat.soft 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 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
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
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
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
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
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
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
A Unified Spectrum for Turbulence in Microfluidic Flow
The Chinese University of Hong Kong（香港中文大学）；The University of Sydney（悉尼大学）
本文提出一个预测性主频谱，用于描述微流体系统中的湍流类流动，通过扩展Pao的粘性范围闭合模型，引入自适应惯性范围斜率和物理特定截止，统一了电动力学、主动、界面和压缩性湍流 regime。
2026-06-29 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
Water-oil drainage dynamics in oil-wet random microfluidic porous media analogs
在微流体多孔介质类似物中进行的置换实验表明，降低的表面张力导致更稳定的置换，这与Hele-Shaw单元中的过程相反，在Hele-Shaw单元中，表面张力通过较低粘性的流体稳定较高粘性的流体的置换。此外，多孔介质的几何形状被观察到起着重要的作用。三个随机的微流体多孔介质模拟研究水-油排水动力学，其特征在于具有均匀宽度的随机连接通道的图案，具有高斯通道宽度分布的图案，以及具有大的孤立孔的图案。使用聚二甲基硅氧烷制造的具有玻璃盖的微流控芯片具有用三氯硅烷处理的内表面，以实现均匀的油润湿条件。水相置换油相，粘度比为约1：40，密度比为1：0.85。视频1-3显示了注水过程。据观察，通道尺寸分布（视频2）和孔隙尺寸的不均匀性（视频3）导致更强的指状物和降低的驱替效率。视频4显示，由于毛细力和接触角滞后的差异，小通道中的弯月面随着水前缘移动到附近的大空腔中而后退。视频5和6均在芯片2中以100 X放大率拍摄，显示了降低的界面张力的稳定效果。
2012-10-15 physics.flu-dyn
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
Gravity effects on mixing with magnetic micro-convection in microfluidics
混合仍然是开发成功的微流体和芯片实验室设备的重要问题，其中简单和可预测的系统特别令人感兴趣。一种是磁微对流，即在磁场作用下发生在Hele-Shaw盒中磁性流体与非磁性流体界面上的不稳定性。前人的工作证明Brinkman模型定量地解释了实验。然而，重力引起的对流运动使测试变得复杂。在这里，我们首先改进了实验系统，以排除重力对流运动。之后，我们观察并量化重力和层流如何在稳定产生不稳定的扰动方面发挥重要作用。相应地，我们改进了我们的理论模型，并进行线性分析。两个无量纲的量解释了实验观察到的临界场的变化所需的不稳定性和特征尺寸的新兴模式。最后，我们讨论了重力在微流体系统中发挥重要作用的条件。
2018-11-06 cond-mat.soft 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
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
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
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
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
Canopy elastic turbulence: spontaneous formation of waves in beds of slender microposts
在粘弹性流的聚合物柱的微流体冠，我们报告的波的自发出现的形式相比，周围的流动的低流速的传播区域。波的发生是混沌的，表现出弹性湍流的特征。本文通过流速测量实验和柱体的高速跟踪，系统地研究了低速波与微流控冠层之间的耦合。波与主要流动方向形成角度$β$，该角度取决于柱阵列的几何形状。如果冠层是由柔性结构，波的通过偏转的结构局部的方式让人联想到的出现的藻波的惯性湍流在冠层的植被。由于与经典（惯性）冠层湍流的相似性，我们将我们新观察到的现象命名为冠层弹性湍流。
2022-08-16 cond-mat.soft 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
Solute-mediated colloidal vortex in a microfluidic T-junction
本文通过微流控实验、数值模拟和理论建模，揭示T型结中扩散渗透流与扩散泳的耦合可在无惯性条件下形成胶体涡旋，并导致与常规预期相反的胶体分离与聚焦，同时给出涡旋出现的判据。
2024-09-03 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Experimental and Computational Analysis of the Hydrodynamics of Droplet Generation in a Cylindrical Microfluidic Device
Indian Institute of Technology Roorkee（印度理工学院鲁尔基分校）
本研究通过实验和计算分析，揭示了圆柱微流体装置中液滴生成的流体动力学机制，提出了基于毛细数和流量比的液滴尺寸和曲率预测模型。
2026-03-03 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
Thin gap approximations for microfluidic device design
University of California, Los Angeles（加州大学洛杉矶分校）
本文提出微流体设备中薄隙流动的Hele-Shaw近似方法，通过加权残差法推导出更精确的模型，能够捕捉非抛物线速度分布和出平面流动效应，为设备设计提供加速建模工具。
2026-04-08 math-ph math.MP 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
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
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
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
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
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
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
Temperature Dependence of Inertial Pumping in Microchannels
惯性泵是一种很有前途的微通道流体输送新方法，但其许多特性尚未得到研究。在这项工作中，惯性流速进行了研究，不同的通道长度，工作温度，和电阻脉冲能量。通过将荧光示踪珠添加到测试流体（纯水）中来可视化封闭通道中的流动。开发了一种从高分辨率视频记录中提取流量的鲁棒方法。发现流速与通道长度成反比。所观察到的依赖性解释的基础上一个简单的现象学的“踢”模型的惯性泵。流速也适合于更基本的一维惯性泵送模型，从该模型中提取了固有的驱动气泡强度。测得的流速随温度变化很大。对于发育良好的驱动气泡，T = 70 C下的流速比T = 30 C下的流速高约12倍。三个独立的效应有助于增加高温下的流速：（i）测试流体的较低粘度，（ii）较强的驱动气泡，以及（iii）增加泵的机械效率，即，驱动气泡强度更好地转化为单向后塌陷井涌。三种效应的相对贡献被量化。流量的能量依赖性表现出明显的饱和行为。汽泡强度符合唯象饱和模型。最后，建立了一个完整的长度-温度-能量流量预测模型。在设计微流体工作流程时，应考虑所观察到的惯性泵送的强烈温度依赖性。它还强调了对集成流量计的需求，这种流量计可以通过感觉反馈来稳定复杂的流量模式。
2022-02-01 cond-mat.other physics.flu-dyn
On the inertial effects of density variation in stratified shear flows
在本文中，我们首先回顾了著名的Boussinesq近似在分层流。使用标度参数，我们表明，当背景剪切是弱的，Boussinesq近似产生（i）$A_t\ll \mathcal{O}(1)$或（ii）$Fr_c^2 \ll \mathcal{O}(1)$，其中$A_t$是密度变化的平均密度和$Fr_c$是相速度与长波速度的比率。第二个子句意味着，与通常接受的概念相反，具有大密度变化的流动也可以是Boussinesq的。事实上，我们表明，深水表面重力波是Boussinesq，而浅水表面重力波不是。然而，在中等/强剪切的存在下，Boussinesq近似意味着常规接受的$A_t\ll \mathcal{O}(1)$。为了了解密度变化的惯性效应，我们的第二个目标是探索各种非Boussinesq剪切流，并研究不同类型的稳定传播波，可以存在于不同背景密度和涡度的两种流体之间的界面。此外，三种类型的密度界面-中性，稳定和不稳定-嵌入在背景剪切层，进行了研究。从这些配置，其中包括开尔文-亥姆霍兹，Holmboe，瑞利-泰勒和三角喷流，随之而来的不稳定性进行了研究的共振波相互作用。密度分层和剪切的稳定性，这些流动配置的影响进行了探讨。某些结果，如密度分层的失稳作用、剪切的稳定作用等，显然是违反直觉的，但如果从波相互作用的角度来解释不稳定性，则是可能的物理解释。
2018-12-01 physics.flu-dyn
Inertially-induced secondary flow in microchannels
我们报告了一种新的技术，被动地在微通道中以中高流速产生强的二次流，精确地控制它们，最后，由于它们的确定性，将它们编程到微流体平台中。基于流动条件，并且由于通道中存在柱，流动流线将失去其前后对称性。由于这种对称性的破坏，流体在通道的中心（即中心z平面）被推离柱。由于流动需要保持质量守恒，流体将在顶壁和底壁附近沿相反方向横向行进。因此，将在本视频中描述的通道横截面中创建NET二次流。主平台是一个简单的直通道，沿着通道放置有柱（即圆柱形柱-尽管其他柱横截面也应该起作用）。通道测量值为200 \mum \times 50 \mum，支柱直径为100 \mum。将柱定位在通道的横截面内的不同位置将导致诱导不同的二次流动模式，这可以被仔细地设计。支柱的纵向间距是另一个设计参数（本视频使用600 \mum间距）。该器械可在宽范围（中到高）流速下工作。我们在本实验中使用150 \muL /min。该装置具有3个入口，其中染料流在两个水流之间并流。在该视频中，通过可视化荧光标记流的横截面，可以看到微通道中惯性产生的净二次流的效果。在入口处和49个连续柱之后顺序地拍摄共焦图像。
2011-10-18 physics.flu-dyn
