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
Microfluidics: The no-slip boundary condition
固液界面的无滑移边界条件是我们理解流体力学的核心。然而，这个条件是一个假设，不能从第一原理推导出来，在理论上可能会被违反。我们提出了一个审查最近的实验，数值和理论研究的主题。出现的物理图像是在液体/固体界面处的复杂行为，涉及许多物理化学参数的相互作用，包括润湿、剪切速率、压力、表面电荷、表面粗糙度、杂质和溶解气体。
2005-09-28 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Experimental evidence of slippage breakdown for a superhydrophobic surface in a microfluidic device
提出了一个完整的表征水流过硅超疏水表面与纵向微槽封闭在微流控装置。对接种有荧光被动示踪剂的流动的荧光显微镜图像进行数字处理，以测量超疏水表面的速度场以及液气界面的位置和形状。同时访问的弯月面和速度分布，使我们能够把一个严格的测试下的无剪切边界条件的液体-空气界面。令人惊讶的是，我们的测量结果表明，在表面空腔中的气穴可以维持非零的界面剪切应力，从而阻碍了表面的减摩能力。弯月面的位置和形状以及液体-空气界面摩擦对表面性能的影响分别进行评估和量化。
2014-06-12 cond-mat.soft physics.flu-dyn
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
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
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
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
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
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
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
The rapidly advancing contact line Part-1: Navier slip and microscale inertial effects
Sorbonne Université（索邦大学）；Institut Universitaire de France（法兰西学院）
研究通过模拟揭示接触线推进中Navier滑动模型与微尺度惯性效应的兼容性，发现惯性效应在实验区域至关重要，不支持滑动模型的否定。
2026-10-14 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
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
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
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 an electrophoretic rigid sphere in a two-dimensional Poiseuille flow
在这项工作中，我们分析了惯性迁移的电泳粒子在2-D Poiffille流与电场施加平行的墙壁。对于薄的双电层，颗粒沿着所施加的电场的方向表现出滑动驱动的动电运动，这导致颗粒领先或滞后于流动（取决于其表面电荷）。由这种滑移驱动运动引起的流体扰动的特征在于快速衰减的源偶极场，其改变了粒子上的惯性升力。我们用功的互等定理确定这个惯性升力。假设没有壁效应，我们推导出一个分析表达式的phoretic-lift捕获修改的惯性升降机由于电泳。我们还考虑了墙壁的影响，发现解析表达式是有效的远离墙壁。我们发现，对于一个领先的粒子，phoretic-lift的行为对高剪切的区域（即墙壁），而相反的是真实的一个落后的粒子。使用数量级分析，我们得到不同的组件，有助于惯性力和分类的基础上，它们出现的相互作用。我们表明，占主导地位的贡献phoretic-lift源于相互作用的滑移驱动的源偶极场与应力场（产生由于粒子的电阻应变的背景流）。此外，为了对比滑移驱动现象和力驱动现象对惯性迁移的影响，我们还研究了非中性浮力粒子。结果表明，重力效应主要是通过背景切变与浮力诱导的斯托克斯莱特场的相互作用来改变惯性升力的。
2019-06-09 physics.flu-dyn
Effective slip boundary conditions for arbitrary periodic surfaces: The surface mobility tensor
在各种应用中，最值得注意的是微流体设计，已经寻求基于滑移的边界条件来表征图案化表面上的流体流动。我们专注于层流剪切流与周期性的高度波动和/或波动的Navier标量滑移特性的表面。我们推导出一个通用公式的“有效滑移”，它描述了等效流体运动的平均表面所描绘的线速度分布，产生远离它。我们表明，通过张量迁移率矩阵的滑移和所施加的应力是线性相关的，然后使用域扰动的方法推导出近似公式的迁移率法直接在表面性质。详细的近似的具体精度，然后利用流动性关系来解决几个问题，如确定最佳的表面形状和随机表面波动对流体滑移的影响。
2010-01-02 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
Boundary streaming with Navier boundary condition
在涉及固体边界上的高频声波的微流体应用中，斯托克斯边界层厚度$δ$非常小，以至于在流体-固体界面处可能发生一些不可忽略的滑移。本文评估的影响，通过重温经典问题的稳态声流在一个平坦的边界与Navier边界条件$u|_{y=0} = L_\mathrm{s} \partial_y u|_{y=0}$，其中$u$是速度切线的边界$y=0$，和参数$L_\mathrm{s}$是滑移长度。边界层外的边界提供了有效的滑移速度。作为无量纲参数$L_\mathrm{s}/δ$的函数，获得了边界层外流动速度的一般表达式。特别是行波和驻波表明，边界滑移分别增加和减少流动速度。
2014-06-24 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
Analysis of Boundary Slip in a Flow with an Oscillating Wall
基于Stokes第二问题，采用分子动力学（MD）方法研究了非定常流固边界滑移问题。与稳定流相比，对于低于相应稳定流的临界剪切速率的剪切速率，观察到滑移的增加。这种增加的滑移归因于流体惯性力，在稳定流中不表现出来。建立了滑移的非定常数学模型，估算了边界滑移增量。该模型表明，除了流体在壁面处的剪切速率之外，滑移还取决于加速度。通过将加速度用剪切速率表示，表明非定常流动中壁面滑移是由剪切速率梯度和流体的剪切速率决定的。对模型进行无量纲化处理后，得到了一条通用曲线，该曲线可用于根据流体的剪切速率和剪切速率梯度信息来确定流固界面处的滑移边界条件。一个管理的无量纲数，定义为相速度的比，声速，被确定，以帮助解释的机制负责的过渡滑移边界条件从有限到一个完美的滑移，并确定何时会发生。观察到流体速度相对于壁面的相位滞后。滞后随着壁振荡时间的缩短和壁疏水性的增加而增加。当考察滑移速度作为壁面速度的函数和滑移速度作为流体剪切速率的函数的变化时，可以看到滞后现象。滞后的原因是由于流体的不稳定的惯性力。
2012-07-30 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
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
Swirl flow in microchannels: patterned slip walls enhance heat transport
Instituto de Ciencias（科学学院）；Universidad Nacional de General Sarmiento（圣马丁国立大学）；Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas（国家科学研究委员会）；Helmholtz-Institut Erlangen-Nürnberg für Erneuerbare Energien (IET-2)（埃尔朗根-纽伦堡亥姆霍兹可再生能源研究所）；Forschungszentrum Jülich（于利希研究中心）；Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg（埃尔朗根-纽伦堡弗里德里希·亚历山大大学）
通过图案化滑移壁诱导旋流，提升微通道热传递效率，无需额外能量输入。
2026-03-10 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
Roughness induced boundary slip in microchannel flows
如果系统的典型长度尺度与微流体设置中的变化尺度相当，则表面粗糙度变得相关。在这里，一个明显的边界滑移往往被检测到，它可以有其起源在假设的完美光滑的边界。我们调查的问题，通过晶格玻尔兹曼（LB）模拟，并引入一个“有效的无滑移面”在峰和谷的表面之间的中间位置。我们的模拟显示出良好的协议与分析结果的正弦边界，但可以扩展到任意的几何形状和实验获得的表面数据。我们发现，检测到的表观滑移是独立的详细的边界形状，但仅由表面高度的分布。此外，我们表明，滑移发散的幅度的粗糙度的增加。
2007-05-02 cond-mat.soft 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
Effects of settling on inertial particle slip velocity statistics in wall bounded flows
本研究通过统计框架推导壁面湍流中沉降惯性颗粒滑移速度矩的连续方程，结合直接数值模拟明确滑移方差的主导机制，对比现有加速度方差模型并分析误差来源，为大气粗尘输运建模提供参考。
2024-06-19 math-ph math.MP physics.ao-ph
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
Laminar boundary layers over small-scale textured surfaces
University of Greenwich（格林威治大学）；University of Cambridge（剑桥大学）；Imperial College London（帝国理工学院）
本文提出了一种模型，用于研究小尺度纹理表面的层流边界层，通过滑移长度修改流动，并展示了该方法在不同表面配置中的应用及稳定性分析。
2026-02-26 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
Lift and drag forces acting on a particle moving with zero slip velocity near a wall
通过数值计算研究了单壁线性剪切流中中性浮力球形小颗粒所受的升力和阻力。剪切速率的影响被隔离从那些滑移通过设置粒子速度等于当地的流体速度（零滑移），并检查所产生的流体动力作为分离距离的函数。与以前的许多数值文献相比，考虑了低剪切雷诺数（$10^{-3} \lesssim Re_γ \lesssim 10^{-1}$）。当处理小通道内的颗粒流时，该剪切速率范围是相关的，例如用于或开发用于生物技术工业的微流体装置中的颗粒迁移。我们证明了很强的依赖性的升力和阻力的剪切速率。建立在以前的理论$Re_γ \ll 1$研究，壁剪切升力相关性提出了适用于当壁位于内部和外部区域的扰动流。同样，我们验证了一个改进的阻力相关性，其中包括更高的阶项的壁分离距离，更准确地捕获的阻力时，颗粒接近，但不接触，壁。新的相关性的应用表明，检查基于剪切的升力是重要的，因为以前检查基于滑移的升力，突出需要考虑剪切时，预测中性浮力颗粒的近壁运动。
2020-02-14 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
On the role of the history force for inertial particles in turbulence
历史力是作用于在流体中运动的粒子的流体动力之一。它是对粒子运动的全部时间历程的积分，并且显著地使运动方程复杂化（因此它经常被忽略）。在这里，我们提出了一个研究的影响，这个力的颗粒在湍流中移动，为广泛的颗粒参数。结果表明，历史力的大小是很重要的，它可以有相当大的影响，颗粒的滑移速度，加速度，优先浓度和碰撞率。我们还研究了这些影响的强度的参数依赖性。
2015-01-20 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
On the effect of surfactant adsorption and viscosity change on apparent slip in hydrophobic microchannels
大量的实验，理论，以及数值计算的努力已经投入到了解微流体装置中的边界滑移的效果。然而，尽管这种装置在科学、医学和工业应用中变得越来越重要，但仍然缺乏对这种现象的令人满意的理解。这是由于研究该问题所需的极其精确的实验以及此类系统中的大量可调参数。在本文中，我们应用最近推出的算法来实现疏水流体壁相互作用的格子玻尔兹曼方法。我们发现一个可能的解释，一些实验观察到的滑移长度取决于流速，这是矛盾的许多理论结果和模拟。我们的解释是，速度依赖滑移可以检测到，如果流动剖面是不完全发展的通道内，但在一个瞬态。此外，我们示出了所测量的滑移长度随着粘度的增加而减小，并展示了在疏水微通道中向流体流动中添加表面活性剂的效果。表面活性剂的加入可以屏蔽疏水壁的排斥势，从而随着表面活性剂浓度的增加而降低滑移量。
2007-04-16 cond-mat.soft 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
Slip-velocity of large neutrally-buoyant particles in turbulent flows
我们讨论了描述大颗粒和湍流之间的相对运动的随机滑移速度的可能定义。这个定义是必要的，因为当颗粒尺寸落在环境湍流的惯性子范围内时，标准阻力模型中使用的滑移速度失效。我们提出了两个定义，选择部分是因为它们的简单性：它们不需要过滤的流体相速度场，也不需要建设的条件平均粒子的位置。这种简单性的一个关键好处是，这里提出的随机滑移速度可以同样很好地计算实验室，现场和数值实验。随机滑移速度允许定义雷诺数，该雷诺数应指示湍流中的大颗粒是否表现为（a）被动示踪剂;（b）速度场的线性滤波器;或（c）速度场的非线性滤波器。我们计算的随机滑移椭球和球形颗粒（泰勒微尺度的大小）在实验室均匀各向同性湍流测量的值。所得的雷诺数是显着高于1的颗粒形状，和速度统计表明，颗粒运动是一个复杂的非线性函数的流体速度。我们进一步研究的非线性关系，通过比较粒子和流体相的脉动速度的概率分布。
2013-09-09 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
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
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
Hydrodynamics of the Developing Region in Hydrophobic Microchannels: A Dissipative Particle Dynamics Study
耗散粒子动力学（DPD）是一种基于粒子的研究微通道流动的方法，因为它可以很容易地模拟生物细胞或DNA链的存在。许多芯片实验室（Lab-On-Chip，缩写为LAB）设备需要能够操纵流体流中细胞或DNA链的运输。已发现涂覆有亲水性和疏水性材料的组合的微通道表面可用于此目的。在这项工作中，我们数值研究了两个无限大平行板之间的亲水和疏水表面的定常非均匀发展流动的流体动力学DPD为第一次。在模拟中，分别使用部分滑移和无滑移边界条件对疏水和亲水表面进行建模。我们还提出了一种新的方法来模拟流入和流出边界的DPD模拟。发展流动的模拟结果与无滑移面和部分滑移面的连续介质理论的解析解吻合良好。入口区域构成了微型器件中沟道长度的相当大的一部分。因此，期望显影区域的长度短，因为大多数微流体装置如细胞或DNA分离器和混合器被设计用于显影的流场。研究了微通道入口处亲水带对有效显影长度的影响。我们发现，疏水带的存在下显着减少了发展的长度。
2012-12-10 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
