基于时空浓度梯度反演扁平微通道中平均流速的优化算法

吴斯达，陈柯洁，曾 效，李泳江，覃开蓉

大连理工大学 光电工程与仪器科学学院，辽宁 大连 116024

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近年来，随着微流控芯片技术在化学、生命科学、医学等相关领域的广泛应用，微流控通道内流体的定量检测与精确操控已成为重要的研究热点[1]。速度是流场最主要的特征参数之一，因此微流控通道内流速的测量对于研究微量多相流体的精准操控、构建复杂的离体生物力学微环境、控制生化反应过程等都具有重要意义[2-4]。高度远小于横向和纵向几何尺寸的扁平微通道是最常见的微通道结构形式，其高度方向的平均流速测量是定量分析壁面剪切力和物质输运规律的前提[5-7]。

常见的流速测量方法是通过测量粒子跟随流体的运动来实现，例如微尺度粒子图像测速法（micro-PIV）和微尺度粒子跟踪测速法（micro-PTV）。前者通过连续拍摄记录流场中的粒子群，比较相邻时间间隔的粒子群位置变化来计算流体速度[8]；后者采用拉格朗日类方法直接测量分析单个粒子的运动，避免了micro-PIV 的平均效应，实现了更高的空间精度[9-10]。但这类基于粒子的测速方法在测量小尺度结构时存在较大误差，因为测量小尺度的流动特性需要较大的示踪粒子浓度，但过大的粒子浓度会引发激光穿透困难等问题。此外，这类方法的测量精度还受示踪粒子跟随性的影响[11-13]。随着光学技术的快速发展，科研人员提出了点检测扫描方法[14]。该方法利用光学仪器对准激光进行强聚焦，可以实现高分辨率的单点速度测量，但对系统的校准精度要求较高，且设备昂贵、操作复杂。……