慣性聚焦是一種有用的技術，可用于各種應用，特別是在醫療領域。確保該技術的有效性，需要準確描述粒子在流經通道時的遷移情況。COMSOL Multiphysics ?  軟件中提供了一個新的基準模型工具，可生成與慣性聚焦實驗數據一致的可靠結果。

慣性聚焦的力量

1960 年代，G.Segré 和 A.Silberberg 發現了一個令人驚訝的效應。通過層流管道的中性懸浮粒子會聚集成一個環狀結構，其半徑約為管道半徑的 0.6 倍，位于距平行壁約 0.2 倍通道寬度的距離。正如他們在幾十年后發現的那樣，發生這種行為的原因可以追溯到慣性流中作用于粒子的力。

今天，我們用慣性聚焦這個術語來描述粒子向平衡位置的遷移。這項技術被廣泛用于 臨床和醫療點診斷 ，作為一種聚集和分離不同大小的粒子以進一步分析和測試的方式。

許多類型的醫療診斷都使用慣性聚焦進行測試和分析。圖片在公共領域，通過 Wikimedia Commons 獲得許可。

為了使慣性聚焦在這些和其他應用中有效，準確分析粒子的遷移模式是一個關鍵步驟。COMSOL Multiphysics 中提供了的一個新的基準例子，強調了為什么 COMSOL? 軟件是獲得可靠結果的正確工具。

準確模擬慣性聚焦中粒子的遷移

這個基準示例中，以一個二維泊肅葉流中的粒子軌跡為例來說明。為了說明相關的力，我們使用了來自兩個平行壁中的流體速度呈二維拋物線分布的粒子的類似遷移表達式。COMSOL 中內置的升力和曳力修正使我們能夠在模擬分析中考慮到這些壁的存在。

注：升力和曳力構成了作用在蠕動流內的中性懸浮粒子上的總力。根據定義，重力和浮力相互抵消。

我們假設升力只在垂直于流體速度的方向上，還假設球形粒子與通道的寬度相比很小，并且它們是剛性旋轉的。

為了計算速度場，我們使用了層流 物理場接口。然后通過曳力節點將其與流體流動顆粒跟蹤 接口耦合起來。通過層流流入 邊界條件，我們可以自動計算出入口邊界的完整速度分布。對于兩個平行壁內的牛頓流體層流，速度分布將呈拋物線。這意味著我們可以直接輸入流體速度的解析表達式。然而，在這個例子中，我們選擇使用了層流物理場接口，因為它展示了最適合于一般幾何結構的工作流程。

我們來看看模擬結果。首先，我們可以看一下通道中的流體速度大小。正如預期的那樣，速度曲線是呈拋物線分布。請注意，這個幾何體的長寬比是 1000:1，所以通道與它的高度相比是很長的。該圖使用了一個自動的視圖比例，使結果更容易被展示。

一個由兩面平行壁約束的通道內的拋物線型流體速度曲線。

然后，我們可以把注意力轉移到中性懸浮粒子的軌跡上。請注意，在下面的圖中，顏色表達代表粒子速度的 y 分量，單位是 mm/s。結果表明，在通道中心兩側約 0.3D 的距離上，所有的粒子都接近于平衡位置。(D 代表通道的寬度)。然而，在通道中心附近釋放的粒子確實需要更長的時間來到達這些位置。這些例子的初始力較弱，因為它們被釋放在速度梯度最小的區域。從圖中，我們可以看到，粒子在通道寬度的 0.2 和 0.8 倍的高度上聚集。這些發現與實驗觀察結果顯示出良好的一致性。

管道內部的粒子軌跡

最后兩幅圖顯示了粒子與通道中心之間歸一化距離的平均值和標準偏差。這些結果驗證了與通道中心的平衡距離實際上是在 0.3D 左右。

粒子與通道中心的歸一化距離的平均值。

粒子與通道中心的歸一化距離的標準偏差。

仿真為慣性聚焦研究生成可靠的結果

為了有效地將慣性聚焦用于醫學和其他應用，需要首先了解粒子在通過通道遷移到平衡位置時的行為。利用 COMSOL Multiphysics? 可以進行這些研究并產生可靠的結果。這種對慣性聚焦的準確描述是分析和優化依賴這種技術的設計的基礎。

本文來自：COMSOL博客