tách hạt
Phần này sẽ trình bày về dòng thứ cấp tại nồng độ giới hạn 5.6 % đối với kênh dẫn tiết diện hình chữ nhật đã tìm được ở phần trước 3.1.1 . Kết quả mô
phỏng dòng chảy ở thời điểm ban đầu và khi đến vị trí cân bằng được thể hiện ở hình 3.16. Khác với các nồng độ khác, ở nồng độ giới hạn này, cấu hình dòng Dean bị thay đổi khi không còn tính đối xứng giữa hai xoáy. Sự ảnh hưởng của các hạt lên dòng chảy thể hiện ở các đường đẳng áp xung quanh các hạt có mặt hầu hất trong phần thể tích mô phỏng ở thời điểm ban đầu hình 3.7 (a). Khi đến vị trí cân bằng của các hạt, dòng Dean đã bị phân tách thành các cuộn xoáy đứt quãng do bị thể tích các hạt chiếm chỗ. Chỉ còn các xoáy nhỏ ở khu vực giữa hai vị trí cân bằng. Có thể nói tại nồng độ giới hạn này dòng Dean đã bị phá hủy. Việc này đưa đến gợi ý rằng muốn tăng hiệu suất tách hạt trong kênh dẫn cong cần phải đưa ra một thiết kết mới để dòng Dean có thể hình thành và chịu tác động ít nhất có thể từ nồng độ vi hạt trong kênh dẫn. Ngoài ra việc tập trung các hạt tại hai vùng trong và ngoài kênh dẫn trong trường hợp này sẽ làm mất đi tính khả thi trong hiệu suất tách hạt.
Hình 3.16: Cấu hình dòng Dean ở xung quanh hạt quan tâm ở mặt cắt vuông góc với dòng chảy ở thời điểm ban đầu (a) và khi đạt được vị trí hội tụ (d) kênh dẫn tiết diện hình chữ nhật taị nồng độ giới hạn 5.6% .Dòng Dean đã bị biến đổi khi bị mất tính đối xứng, chỉ còn lại ở khu vực ở giữa hai vị trí cân bằng của các hạt.
CHƯƠNG4 KẾT LUẬN
4.1 Kết luận
Bộ giải số đã được xây dựng trong luận văn này đã giải quyết các vấn đề về thời gian cũng như khối lượng tính toán cho vấn đề mô phỏng trực tiếp chuyển động của nhiều vi hạt trong vi kênh cong. Ngoài ra, các kết quả luận văn đạt được cho thấy rằng nồng độ hạt có tác động đến vị trí hội tụ của vi hạt. Trong vi kênh cong tiết diện hình chữ nhật và hình thang, khi nồng độ hạt càng cao, cấu trúc của dòng Dean sẽ bị phá vỡ, dẫn đến ảnh hưởng của dòng Dean lên vị trí hội tụ của vi hạt bị thay đổi. Kết quả nghiên cứu chứng tỏ sự tồn tại của giới hạn nồng độ hạt lớn nhất trên cả hai loại tiết diện kênh dẫn phổ biến để hiệu quả tách hạt còn khả thi.
4.2 Hướng phát triển của luận văn trong tương lai
Như kết quả đã đưa ra về sự tồn tại của các giới hạn nồng độ gợi ý rằng việc sử dụng các thiết kế mới để tăng nồng độ hạt cần đáp ứng được sự biến đổi ít nhất có thể của dòng Dean. Chính vì vậy, việc tiếp tục sử dụng bộ giải này cho các tính toán mô phỏng cho các mô hình xoắn mới sẽ là hướng phát triển tiếp theo của luận văn. Ngoài ra, đến thời điểm hiện tại bộ giải đang giới hạn vi hạt ở trạng thái tuyệt đối cứng, trong khi trên thực tế thì việc hạt có tương tác đàn hồi hay bị biến dạng là vô cùng phổ biến. Do vậy trong thời gian tới, bộ giải sẽ được phát triển thêm để có thể giải quyết các bài toán liên quan đến biến dạng của vật thể có biên đàn hồi.
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] G. Y. Kim, J. I. Han, and J. K. Park, “Inertial Microfluidics-Based Cell Sorting,” Biochip Journal, vol. 12, no. 4, pp. 257–267, 2018.
[2] G. Guan, L. Wu, A. A. Bhagat, Z. Li, P. C. Chen, S. Chao, C. J. Ong, and J. Han, “Spiral microchannel with rectangular and trapezoidal cross- sections for size based particle separation,” Scientific Reports, vol. 3, pp. 1–9, 2013.
[3] A. J. Mach, O. B. Adeyiga, and D. Di Carlo, “Microfluidic sample prepa- ration for diagnostic cytopathology,” Lab on a Chip, vol. 13, no. 6, pp. 1011–1026, 2013.
[4] A. Dalili, E. Samiei, and M. Hoorfar, “A review of sorting, separation and isolation of cells and microbeads for biomedical applications: microfluidic approaches,” Analyst, vol. 144, no. 1, pp. 87–113, 2019.
[5] D. Di Carlo, J. F. Edd, K. J. Humphry, H. A. Stone, and M. Toner, “Particle segregation and dynamics in confined flows,” Physical Review Letters, vol. 102, no. 9, pp. 1–4, 2009.
[6] Q. V. Do, D. A. Van, V. B. Nguyen, and V. S. Pham, “A numerical modeling study on inertial focusing of microparticle in spiral microchannel,” AIP Advances, vol. 10, no. 7, 2020. [Online]. Available: https://doi.org/10.1063/5.0006975
[7] D. Di Carlo, D. Irimia, R. G. Tompkins, and M. Toner, “Continuous inertial focusing, ordering, and separation of particles in microchannels,” Proceed-
ings of the National Academy of Sciences of the United States of America,
vol. 104, no. 48, pp. 18 892–18 897, 2007.
[8] L. Wu, G. Guan, H. W. Hou, A. A. S. Bhagat, and J. Han, “Separation of leukocytes from blood using spiral channel with trapezoid cross-section,”
Analytical Chemistry, vol. 84, no. 21, pp. 9324–9331, 2012.
[9] N. Nivedita, P. Ligrani, and I. Papautsky, “Dean Flow Dynamics in Low-Aspect Ratio Spiral Microchannels,” Scientific Reports, vol. 7, no.
October 2016, pp. 1–10, 2017. [Online]. Available: http://dx.doi.org/10. 1038/srep44072
[10] S. S. Kuntaegowdanahalli, A. A. S. Bhagat, G. Kumar, and I. Papautsky, “Inertial microfluidics for continuous particle separation in spiral microchan- nels,” Lab on a Chip, vol. 9, no. 20, pp. 2973–2980, 2009.
[11] B. Harding and Y. Stokes, “Fluid flow in a spiral microfluidic duct,” Physics of Fluids, vol. 30, no. 4, 2018.
[12] A. Sarkar, H. W. Hou, A. E. Mahan, J. Han, and G. Alter, “Multiplexed Affinity-Based Separation of Proteins and Cells Using Inertial Microfluidics,” Scientific Reports, vol. 6, pp. 1–9, 2016. [Online]. Available: http://dx.doi.org/10.1038/srep23589
[13] D. Di Carlo, J. F. Edd, D. Irimia, R. G. Tompkins, and M. Toner, “Equilib- rium separation and filtration of particles using differential inertial focus- ing,” Analytical Chemistry, vol. 80, no. 6, pp. 2204–2211, 2008.
[14] D. Di Carlo, D. Irimia, R. G. Tompkins, and M. Toner, “Continuous inertial focusing, ordering, and separation of particles in microchannels,” Proceed-
ings of the National Academy of Sciences of the United States of America,
vol. 104, no. 48, pp. 18 892–18 897, 2007.
[15] J. M. Martel and M. Toner, “Inertial focusing dynamics in spiral microchan- nels,” Physics of Fluids, vol. 24, no. 3, 2012.
[16] S. Lee, Y. Stokes, and A. L. Bertozzi, “Behavior of a particle-laden flow in a spiral channel,” Physics of Fluids, vol. 26, no. 4, 2014.
[17] M. Jiang, S. Qian, and Z. Liu, “Fully resolved simulation of single- particle dynamics in a microcavity,” Microfluidics and Nanofluidics, vol. 22, no. 12, p. 0, 2018. [Online]. Available: http://dx.doi.org/10.1007/ s10404-018-2166-x
[18] H. Tabaei Kazerooni, W. Fornari, J. Hussong, and L. Brandt, “Inertial mi- gration in dilute and semidilute suspensions of rigid particles in laminar square duct flow,” Physical Review Fluids, vol. 2, no. 8, pp. 1–35, 2017. [19] N. Nakagawa, T. Yabu, R. Otomo, A. Kase, M. Makino, T. Itano, and
square channel flows from low to high Reynolds numbers,” Journal of Fluid
Mechanics, vol. 779, pp. 776–793, 2015.
[20] M. Uhlmann, “Informes Técnicos Ciemat 1038,” 2004.
[21] R. Glowinski, T. W. Pan, T. I. Hesla, D. D. Joseph, and J. Périaux, “A Fictitious Domain Approach to the Direct Numerical Simulation of Incom- pressible Viscous Flow past Moving Rigid Bodies: Application to Particulate Flow,” Journal of Computational Physics, vol. 169, no. 2, pp. 363–426, may 2001.
[22] P. Singh, T. I. Hesla, and D. D. Joseph, “Distributed Lagrange multiplier method for particulate flows with collisions,” International Journal of Mul-
tiphase Flow, vol. 29, no. 3, pp. 495–509, mar 2003.
[23] D. Wan and S. Turek, “An efficient multigrid-FEM method for the simula- tion of solid-liquid two phase flows,” Journal of Computational and Applied
Mathematics, vol. 203, no. 2 SPEC. ISS., pp. 561–580, 2007.
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ Đề tài: Mô phỏng số chuyển động của vi hạt trong vi dòng chảy
Tác giả luận văn: Văn Đức Anh Khóa: CLC2020B Người hướng dẫn: PGS.TS Phạm Văn Sáng
Từ khóa: Vi dòng chảy, biên tuần hoàn, phương pháp biên nhúng Nội dung tóm tắt:
a. Lý do chọn đề tài: Phân tách vi hạt trong vi lỏng ứng dụng rộng rãi trong rất nhiều trong lĩnh vực như y tế, vi sinh, sinh học phân tử ... Bên cạnh việc phát triển các thiết bị mới là sự đòi hỏi về công cụ cũng như phương tiện mô phỏng để tối ưu các thiết bị. Cũng như giải thích làm sáng tỏ các hiện tượng vật lý xảy ra trong các thiết bị này. Luận văn này lựa chọn đề tài mô phỏng số vi hạt trong vi dòng chảy qua đó thể hiện cụ thể vấn đề ảnh hưởng của nồng độ hạt trong thiết bị vi kênh dẫn cong đến hiệu suất tách hạt.
b. Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu: Mô phỏng chuyển động của vi hạt trong vi kênh dẫn qua đó nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ lên hiệu suất tách hạt và đưa ra giải thích đầy đủ về cơ chế hình thành dòng chảy thứ cấp trong thiết bị vi lỏng cong.
c. Tóm tắt cô đọng các nội dung chính và đóng góp mới của tác giả: Đưa ra bộ giải mới tự xây dựng để giải quyết bài toán mô phỏng chuyển động vi hạt trong thiết bị vi lỏng sử dụng kênh dẫn cong. Đóng góp cho cộng đồng mô phỏng một bộ giải thích hợp cho bài toán mô phỏng về lĩnh vực này. Tìm được các giá trị giới hạn của nồng độ để thiết bị vi lỏng đáp ứng được yêu cầu tách hạt. Đưa ra các kết quả về cơ chế hình thành dòng chảy thứ cấp trong kênh dẫn cong tiết diện hình chữ nhật cũng như hình thang.
d. Phương pháp nghiên cứu: Phát triển tiếp bộ giải đã xây dựng từ đồ án tốt nghiệp đã được kiểm chứng trước đó, để tiếp tục nghiên cứu mô phỏng bài toán.
e. Kết luận: Từ kết quả mô phỏng chuyển động của vi hạt trong vi kênh dẫn cong, kết luận được rằng nồng độ ảnh hưởng đến vị trí hội tụ của các vi hạt. Đến một giá trị tới hạn với mỗi loại kênh dẫn, hiệu suất tách hạt bị ảnh hưởng đáng kể.