Microchannel Flow Patterns: The Influence of Acoustics, Curvature, Sharp-Edge Density, and Tilted Angle

为了描述不同条件下微通道中的流动模式，我们进行了流场模拟和荧光颗粒图像实验（图 3）。有限元软件 COMSOL 用于模拟，模拟结果与实验结果吻合良好。对于没有声学的标准模型（图 3Ai），无论是低流量（4 mL/min）还是高流量（500 mL/min），主流中都显示出明显的逐层流动特征。然而，在高流量下，由于尖锐边缘结构的阻塞，主流更加紧凑和扭曲，并且由于高速流动使这些区域成为低压区域，尖锐边缘结构后面出现小涡旋。对于带有 40 Vpp 声学的标准模型（图 3Aii），流场在低流量下显示出“涡旋主导”，这表明声学在低流量下有显著影响，而在高流量下与没有声学的情况相比，流场几乎没有差别，表明声学在高流量下失效。图 3B 说明了曲率的影响。对于没有尖锐边缘结构的光滑通道，流线在低流量和高流量下都没有明显变化。但对于高曲率通道，流线呈圆形，流体经历离心力，这是内部流体和外部流体之间的横向力，使内部流体和外部流体更加紧凑。此外，在曲率通道中，离心力可以引起称为“Dean 流”的二次流，以增强混合，但在我们的二维模拟中无法模拟（Dean 流的示意图如图 S2 所示）。因此，与直通道相比，曲率通道在混合方面应该表现得更好。此外，曲率越高，离心效应越强，混合效果越好。尖锐边缘密度也对流场有重要影响（图 3C）。将光滑通道（图 3Ci）与嵌入尖锐边缘的通道（图 3Cii）进行比较，光滑通道中的流线在低流量和高流量下都呈规律排列，显示出逐层层流特性。然而，在低流量下，每个尖锐边缘结构都可以引起一对涡旋，以强烈干扰流场，如图 3Aii 所示，而没有尖锐边缘结构时，声学不能对流场产生明显变化（图 S3）。此外，更多的尖锐边缘结构可以引起更多的涡旋，以实现更高效的混合。在高流量下，尖锐边缘结构被设置为拉伸和折叠流线以及压缩流动路径的障碍物。细长蛇行的主流路径表明两种流体的全接触和强制混合，显然，更多的尖锐边缘结构可以使流动路径更加蛇行，从而等效地增加混合长度。因此，更高的尖锐边缘密度应该在低流量和高流量下增强混合。图 3D 显示了倾斜角对混合性能的影响。将垂直设置（图 3Di）与 60° 倾斜角设置（图 3Dii）进行比较，倾斜的尖锐边缘结构为主流提供了更多的流动空间，而倾斜尖锐边缘结构的一侧对流动提供了较少的横向动量，导致混合的不利因素。此外，在低流量下使用声学时，倾斜尖锐边缘结构引起的涡旋比垂直结构小（图 S4）。因此，可以预测较大的倾斜角设置的混合性能较差。