Trong các trường hợp mô phỏng điều kiện biên của thành kênh dẫn là điều kiện biên không trượt. Như phương pháp truyền thống hiện nay hạt sẽ chuyển
động trong dòng chảy được thiết đặt với vận tốc xác định ở đầu vào và áp suất ở đầu ra. Như đã nói ở trên mô hình tính toán này khi áp dụng cho chuyển động vi hạt trong vi dòng chảy yêu cầu một số lượng lưới tính toán rất lớn vì vậy để giảm tài nguyên và thời gian thực thi đồng thời vẫn thể hiện đúng bản chất của hiện tượng, điều kiện biên tuần hoàn sẽ được sử dụng cho đầu vào và đầu ra của kênh dẫn (hình 2.2). Vấn đề sẽ xảy xa với cư xử của vi hạt khi đến gần hoặc vượt qua biên tuần hoàn. Làm sao để hạt với phương pháp chia lưới sát bề mặt theo phương pháp truyền thống có thể di chuyển qua biên tuần hoan này theo tìm hiểu của nhóm là vẫn chưa khả thi đến thời điểm hiện tại.
Hình 2.2: Mô hình thiết bị trong thực tế (a) và miền tính toán xứ lí trong một đơn vị tuần hoàn của kênh dẫn (c). (b)(d) mô tả hạt ảo để xử lí chuyển động của hạt thực. (b) hạt thực nằm hoàn toàn trong miền tính toán, (d) hạt thực tiếp cận đến ranh giới biên tuần hoàn, hạt ảo và vùng lân cận của nó sẽ được tích hợp để tính toán.
Tận dụng ưu thế của phương pháp biên nhúng đồng thời với kĩ thuật cho phép vật thể nói chung và vi hạt nói riêng chuyển động qua biên tuần hoàn, bộ giải tự phát triển đã giải quyết được vấn đề nêu trên. Từ đây thay vì mô phỏng chuyển động vi hạt trong toàn bộ kênh dẫn bộ giải cho phép chỉ cần mô phỏng
trong một đoạn nhỏ của kênh điều này khiến cho số lượng lưới sẽ không còn là vấn đề trong việc phỏng vi hạt trong vi lỏng. Cụ thể, một miền thể tích được giới hạn bởi hai biên tuần hoàn sẽ được xem xét trong đó dòng chảy sẽ được điều khiển bởi lực khối tùy thuộc vào số Re thiết đặt, dòng chảy sẽ đi đến biên này và đi ra từ biên kia tường ứng. Khi hạt chuyển động đến gần một trong hai biên đến một khoảng cách nhất định việc tính toán tương tác giữa hạt và dòng chảy sẽ được bổ sung thêm một hoặc nhiều hạt ảo tương ứng với vị trí của hạt thật (hình 2.3). Và khi hạt thật vượt qua một trong hai biên thì nó sẽ trở thành hạt ảo và một trong những hạt ảo kia sẽ trở thành hạt thật. Điều này cho phép hạt đi ra từ biên này và đi vào biên kia một cách liên tục và đảm bảo sự chính xác cho tính toán tương tác hạt và dòng chảy.
Hình 2.3: a) Thiết bị kênh dẫn vi lỏng Gu [2] đã sử dụng để phân tách hạt, dòng chảy mang theo hạt đi vào từ tâm và chuyển động dọc theo hình xoắn ốc để ra ngoài outlet (b) Mô hình mô phỏng thực hiện với nồng độ 4.2% trong đó vùng được tô màu đỏ giới hạn bởi hai biên tuần hoàn như đã trình bày ở trên
Bộ giải sẽ thực hiện tính toán mô phỏng cho mô hình mà Gu đã thực nghiệm [2]. Với mục tiêu khảo sát sự ảnh hưởng của mật độ lên quá trình phân tách tế bào trong hai loại kênh dẫn xoắn ốc có tiết diện khác nhau với cùng đường kính
15 mm, tiết diện hình chữ nhật và hình thang có tiết diện lần lượt là 600 x 80 x 80 µm3 và 600 x 130 x 80 µm3 . Mô hình tính toán là một phần của hình xoắn ốc có góc mở là 1◦, với bán kính trong là 7.5 mm. Số lưới chia theo các phương bán kính, chiều cao và trực giao với phương bán kính là 85, 22, 36, tổng số ô lưới là 67 320 với kênh dẫn tiết diện hình chữ nhật trong khi với kênh dẫn hình thang tổng số ô lưới là 144479. Tế bào được mô hình bằng hạt tuyệt đối cứng đường kính hạt là 26.25 m với khối lương riêng 1050 kg/m3. Dòng chảy được tính toán với lưu lượng 4.5ml/min tương đương với vận tốc dòng chảy trung bình là 1.5659 m/s. Máy tính toán là mấy trạm Dell với chip i5, ram 38 GB.
CHƯƠNG3
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
Thực hiện nghiên cứu khảo sát ảnh hưởng nồng độ hạt lên hiệu quả tách hạt đồng thời khảo sát ảnh hưởng của các vi hạt lên cấu hình của dòng chảy Dean sẽ được đề cập. Từ đó đưa ra giải thích chi tiết, lần đầu tiên, về cơ chế của thiết bị nói chung ở các nồng độ khác nhau. Tiến hành mô phỏng các trường hợp nồng độ khác nhau tăng dần từ 0.1% đến 6% ở hai loại kênh dẫn, các trường hợp mô phỏng thống kê ở bảng 3.1 .
Bảng 3.1: Thông số các trường hợp mô phỏng cho hai loại kênh dẫn với nồng độ khác nhau. Loại kênh dẫn Tên case Số hạt Nồng độ thể tích (%) Vận tốc dòng chảy(m/s) Tiết diện hình chữ nhật R-1P 1 0.14 1.5659 R-2P 2 0.28 1.5659 R-5P 5 0.70 1.5659 R-10P 10 1.40 1.5659 R-20P 20 2.804 1.5659 R-40P 40 5.60 1.5659 Tiết diện hình thang T-1P 1 0.11 1.5658 T-2P 2 0.22 1.5658 T-5P 5 0.55 1.5658 T-10P 10 1.10 1.5658 T-20P 20 2.20 1.5658 T-30P 30 3.30 1.5658
Các kết quả sẽ được trình bày dưới dạng không thứ nguyên thông qua các thông sốL,H,Um, Rinner. Trong đóL= 600µm, H = 80µm, Rinner = 7500µm, U m= 1.5659m/s, lần lượt là độ rộng, chiều cao, bán kính trong và vận tốc dòng chảy trung bình của vi kênh có tiết diện hình chữ nhật. Lấy hệ tọa độ trụ làm hệ
qui chiếu (r0, θ, z0) với gốc tọa độ là tâm của đường tròn chu vi kênh dẫn. Lưu ý rằng trong bài toán hạt chuyển động trong kênh dẫn cong này ta chỉ quan tâm đến tọa độ r, z là đủ, nên các kết quả sẽ không đề cập đến θ. Tọa độ vị trí của các hạt (r0, z0) và thời gian chuyển động t sẽ được biểu diễn với các đơn vị: (r/L, z/H), Um/L. Với r=r0−rinner, z =z0.
3.1 Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ đến vị trí và thời gian hội tụ của vi hạt