本发明专利技术公开了一种基于粘弹性流体束缚效应的微流控芯片设计方法及装置，所述方法包括：选择有效利用粘弹性流体不稳定性束缚液滴的微流控通道；设计所选微流控通道的尺寸；根据已知微流控通道的尺寸配置驱替流体；根据已知微流控通道构建粘弹性流体动力学模型；基于粘弹性流体动力学模型和实验结果确定液滴振荡束缚的临界条件；根据液滴振荡束缚的临界条件建立基于粘弹性流体不稳定性束缚液滴的微流控设计准则。本发明专利技术基于粘弹性流体自身的不稳定性特征及独特的微流控通道设计，即可精准可控地实现液滴的振荡束缚，使具有振荡束缚功能的微流控芯片具有更广泛的应用场景。能的微流控芯片具有更广泛的应用场景。能的微流控芯片具有更广泛的应用场景。
【技术实现步骤摘要】
基于粘弹性流体束缚效应的微流控芯片设计方法及装置
[0001]本专利技术涉及流体力学及微流控
，特别涉及一种基于粘弹性流体束缚效应的微流控芯片设计方法及装置。
技术介绍
[0002]微流控是一种通过微通道精准操纵及控制微量流体的先进技术，其可实现的功能越来越多，在生命科学、医药健康、能源环境、材料化工等领域得到广泛应用。其中，通过微流控来实现研究对象的束缚的需求十分普遍。具体地，对于单细胞力学特性响应研究，需要应用微流控对单细胞实现束缚；对于微液滴原位反应器，需要应用微流控对微液滴实现束缚；在气泡界面稳定性研究场景，需要应用微流控对气泡实现束缚。然而，目前尚未有一种有效的微流控方法，能够同时、稳定、可控地实现研究对象的束缚。此外，尚缺乏一种有效的理论准则，用于指导实现束缚功能的微流控设计。
[0003]粘弹性流体是一类同时具有粘性流体和弹性固体特性的非牛顿流体。粘弹性不稳定性是粘弹性流体的重要特性之一，是指在惯性效应可以忽略(即Re数小于1)的条件下，粘弹性流体仍然能呈现出流线紊乱、非对称涡旋等流动不稳定的特征。由于粘弹性流体具有弹性特征，当粘弹性流体的位置、形状等发生改变时，粘弹性流体会积聚一定弹性势能，在该弹性势能的作用下有恢复至原来状态的趋势，亦称为粘弹性流体的“记忆效应”。此外，当粘弹性流体驱替或携带有液滴、气泡、颗粒等形成两相流，并通过渐缩、突缩等汇流通道结构时，由于粘弹性流体前沿流动受到通道阻碍，其弹性特征突显，对液滴、气泡及颗粒等施加与流动方向相反的弹性力，从而产生液滴、气泡、颗粒等流动减缓甚至停止的束缚效应。
[0004]因此，利用粘弹性流体独特的物理性质，能够同时、有效地实现液滴、气泡及颗粒等的振荡束缚；而通过构建粘弹性流体动力学模型，能够建立有效的粘弹性流体微流控设计准则，进一步对基于粘弹性流体不稳定性的束缚效应进行可靠控制，有利于更好地满足微流控技术在生命科学、医药健康、能源开发、环境监测等领域内功能更丰富、范围更广泛的应用需求。
技术实现思路
[0005]本专利技术针对目前常规微流控设计方法无法同时、稳定、可控地实现研究对象的振荡束缚的问题，创新性地提供一种基于粘弹性流体束缚效应的微流控芯片设计方法及装置。该方法所涉及的粘弹性流体及微流控技术可应用于同时、有效地实现液滴、细胞、颗粒、气泡等研究对象的束缚，该方法引入的基于粘弹性流体动力学模型的微流控设计准则可进一步对粘弹性流体的束缚效应进行稳定、可靠控制，同时能规避常规微流控设计方法所受的微通道材料及制备工艺、适用对象有限等限制。
[0006]为解决上述技术问题，本专利技术的实施例提供如下方案：
[0007]一方面，提供了一种基于粘弹性流体束缚效应的微流控芯片设计方法，包括以下步骤：
[0008]S1、选择有效利用粘弹性流体不稳定性束缚液滴的微流控通道；
[0009]S2、设计所选微流控通道的尺寸；
[0010]S3、根据已知微流控通道的尺寸配置驱替流体；
[0011]S4、根据已知微流控通道构建粘弹性流体动力学模型；
[0012]S5、基于粘弹性流体动力学模型和实验结果确定液滴振荡束缚的临界条件；
[0013]S6、根据液滴振荡束缚的临界条件建立基于粘弹性流体不稳定性束缚液滴的微流控设计准则。
[0014]优选地，所述步骤S1中，所选择的能够实现束缚功能的微流控通道属于汇流型通道。
[0015]优选地，所述步骤S2中，依据汇流型通道模型设计通道尺寸，所述汇流型通道包括孔隙
‑
喉道结构，孔隙的当量直径D
p
大于喉道的当量直径D
t
；
[0016]其中，孔隙的当量直径D
p
由孔隙宽度p
w
及孔隙深度p
d
表示：
[0017][0018]喉道的当量直径D
t
由喉道宽度t
w
及喉道深度t
d
表示：
[0019][0020]优选地，所述步骤S3中，配置九种不同的驱替流体，即驱替液，包括三种牛顿流体，两种剪切稀化流体和四种粘弹性流体。
[0021]优选地，所述步骤S4中，在粘弹性流体驱替液滴过程中，液滴受粘性力F
v
、毛管力F
c
及弹性力F
e
的共同作用，通过调节粘性力F
v
、毛管力F
c
及弹性力F
e
之间的大小关系，即可实现液滴的振荡束缚；粘弹性流体动力学模型如下：
[0022][0023][0024]F
e
＝χDeF
v (3)
[0025][0026][0027][0028]式中，L为液滴的长度，单位：米；D为液滴的当量直径，单位：米；η为粘弹性流体的粘度，单位：帕秒；U为粘弹性流体的流速，单位：米/秒；τ为粘弹性流体的松弛时间，单位：秒；γ为粘弹性流体与液滴之间的界面张力系数，单位：牛/米；ψ、χ为微流控通道形状系数，无量纲，取值在0
‑
1之间；C
a
为毛管数，无量纲；D
e
为粘弹性流体的德博拉数，无量纲；E
c
为弹性毛细管数，无量纲。
[0029]优选地，所述步骤S5中，实现液滴振荡束缚的临界条件为：
[0030]F
v
＝F
c
+F
e (7)
[0031]联立公式(1)
‑
公式(7)，得到实现液滴振荡束缚的临界条件的无量纲表示为：
[0032][0033]根据实验结果，对数据进行线性拟合，存在以下关系：
[0034]A＝m(De
‑
De
crit
) (9)
[0035][0036]式中，下标crit表示临界状态；A为液滴的无量纲振荡振幅；De
crit
表示临界德博拉数，在这里为1；m为微流控通道形状系数，无量纲，取值在0
‑
1之间；即实现液滴振荡振荡的临界条件为：粘弹性流体的D
e
数等于临界德博拉数De
crit
；
[0037]实现液滴振荡束缚的临界条件为实现液滴束缚的同时实现液滴振荡，即同时满足公式(8)和(10)：
[0038][0039]优选地，所述步骤S6中，基于粘弹性流体动力学模型确定的液滴振荡束缚的临界条件，通过调节松弛时间、粘度、流速、界面张力系数配置粘弹性流体，通过调节微流控通道的尺寸进行微流控设计。
[0040]另一方面，提供了一种基于粘弹性流体束缚效应的微流控芯片设计装置，包括：
[0041]通道选择模块，用于选择有效利用粘弹性流体不稳定性束缚液滴的微流控通道；
[0042]尺寸设计模块，用于设计所选微流控通道的尺寸；
[0043]驱替液配置模块，用于根据已知微流控通道的尺寸配置驱本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于粘弹性流体束缚效应的微流控芯片设计方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、选择有效利用粘弹性流体不稳定性束缚液滴的微流控通道；S2、设计所选微流控通道的尺寸；S3、根据已知微流控通道的尺寸配置驱替流体；S4、根据已知微流控通道构建粘弹性流体动力学模型；S5、基于粘弹性流体动力学模型和实验结果确定液滴振荡束缚的临界条件；S6、根据液滴振荡束缚的临界条件建立基于粘弹性流体不稳定性束缚液滴的微流控设计准则。2.根据权利要求1所述的微流控芯片设计方法，其特征在于，所述步骤S1中，所选择的能够实现束缚功能的微流控通道属于汇流型通道。3.根据权利要求2所述的微流控芯片设计方法，其特征在于，所述步骤S2中，依据汇流型通道模型设计通道尺寸，所述汇流型通道包括孔隙
‑
喉道结构，孔隙的当量直径D
p
大于喉道的当量直径D
t
；其中，孔隙的当量直径D
p
由孔隙宽度p
w
及孔隙深度p
d
表示：喉道的当量直径D
t
由喉道宽度t
w
及喉道深度t
d
表示：4.根据权利要求1所述的微流控芯片设计方法，其特征在于，所述步骤S3中，配置九种不同的驱替流体，即驱替液，包括三种牛顿流体，两种剪切稀化流体和四种粘弹性流体。5.根据权利要求1所述的微流控芯片设计方法，其特征在于，所述步骤S4中，在粘弹性流体驱替液滴过程中，液滴受粘性力F
v
、毛管力F
c
及弹性力F
e
的共同作用，通过调节粘性力F
v
、毛管力F
c
及弹性力F
e
之间的大小关系，即可实现液滴的振荡束缚；粘弹性流体动力学模型如下：型如下：F
e
＝χDeF
v (3)(3)(3)式中，L为液滴的长度，单位：米；D为液滴的当量直径，单位：米；η为粘弹性流体的粘度，单位：帕秒；U为粘弹性流体的流速，单位：米/秒；τ为粘弹性流体的松弛时间，单位：秒；γ为粘弹性流体与液滴之间的界面张力系数，单位：牛/米；ψ、χ为微流控通道形状系数，无量纲，取值在0
‑
1之间；C
a
为毛管数，无量纲；D
【专利技术属性】
技术研发人员：谢驰宇，劳浚铭，杨洪恩，宋洪庆，徐克，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：
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