一种通用的基于斯托克斯流的复杂流束轮廓工程方法

杨振宇，南浪，岑浩璋

Department of Mechanical Engineering, The University of Hong Kong, Hong Kong 999077, China

1. 引言

在微流控管道中，由于较小的管道尺寸和较高的液体黏度，流体通常处于低雷诺数（Re）的层流状态。雷诺数可定义为Re=U·L/v，其中U是管流的平均流速，L是管道的水力直径，v是工作液体的运动黏度。雷诺数代表了流体中惯性力和黏性力的相对重要程度。不同于倾向形成分散流体结构的多相流[1,2]，单相流的流束在无外部干扰的情况下会在形状规则的管道中保持稳定不变的截面分布[3]。很多流体工程方法得到开发，可实现诸如生物分子分析[4]、高通量筛选[5]、化学反应控制[6-8]等需要调整管流分布的芯片实验室功能。其中一些方法特意增加流体的不稳定性以实现湍流混合，但其流束轮廓未得到约束和控制[9]。尽管主动式高效操纵流体分布的方法，如电驱动[10]或磁驱动[11]已被广泛研究，但这些方法要求复杂的理论分析来实现精细的流动控制，并且专用的仪器设备以及复杂的系统搭建进一步阻止了这些方法的广泛应用。相反，一些被动式方法使用诸如人字形沟槽[12]、扩容腔室[13]或球型障碍[14]等特殊管道结构来生成管道内的横向二次流，并通过这些管道结构的集成，实现流体动力学聚焦[15-17]、三维形状微粒和纤维制备[18-20]，以及用于颗粒聚集和分类的特定的流体泳动[21,22]。尽管这些流束轮廓编辑方法得到成功应用，但通常需要重复利用基础二次流范式而产生流束轮廓。此外，管道结构和流场的特定对应关系使得这些管道结构很难被推广用于产生不同形状的流束轮廓，生成新流束轮廓的管道设计过程仍然需要反复的尝试和修正，进而限制了设计过程的效率。……