بررسی پارامترهای موثر در به دام اندازی ذرات به کمک جریان‌های ثانویه در میکروکانال‌های با مقطع مستطیلی متغیر

در سالیان اخیر، میکروفلوییدیک اینرسیایی (استفاده از نیروهای اینرسی در میکروکانال‌ها) توجهات بسیاری را در حوزه‌ی جداسازی ذرات به خود جلب کرده است. مزیت این روش نسبت به سایر شیوه‌های جداسازی و غنی‌سازی، قابلیت استفاده در دبی‌های بالا و ارزان بودن آن می‌باشد. در پژوهش حاضر با هدف غنی‌سازی سیال از ذرات با قطر بیش از 15 میکرون، میکروکانال مستطیلی با مقاطع عریض و باریک در نظر گرفته شد که در آن، بخش‌های عریض (مخزن‌ها) وظیفه‌ی به دام اندازی ذرات با قطر بزرگ را بر عهده دارند. به کمک روش المان محدود و با حل معادلات ناویراستوکس، خطوط جریان و شکل گردابه‌ها محاسبه گردید. مشاهده شد که به ازای دبی‌های ورودی در محدوده‌ی 0.25 تا 0.5 میلی‌لیتر بر دقیقه (مطابق با محدوده دبی‌های به کار گرفته شده در پژوهش‌های تجربی)، بیشترین درصد به دام اندازی ذرات با قطرهای بیش از 10 میکرون در نزدیکی دبی 0.35 میلی‌لیتر بر دقیقه رخ می‌دهد. همچنین اثر پارامترهایی همچون ارتفاع کانال، تعداد مخازن و طول اولیه‌ی مقطع باریک نیز بر درصد به دام اندازی سنجیده شد. در نهایت، در راستای نزدیک شدن به کاربردهای عملی، اثر تغییر لزجت ناشی از جایگزینی سیال خون به جای آب نیز مورد بررسی قرار گرفت که منجر به شکل‌گیری گردابه‌ها در دبی‌های بالاتر شد. به طور کلی، گردابه‌های ایجاد شده در بخش عریض که شدت و ضعف آن‌ها وابسته به پارامترهای ذکر شده می‌باشد، نقش غالب را در جداسازی ذرات ایفا نموده، در حالی که نیروهای لیفت اینرسیایی بیشتر در نقش هدایت‌کننده‌ی ابتدایی برای جداسازی به شمار می‌روند.

Investigation of effective parameters on capturing particles by secondary flows in rectangular microchannels

In recent years, inertial microfluidics (the use of inertial forces in microchannels) have attracted much attention aiming particle separation. The advantage of this method over other methods of separation and enrichment is its highthroughput performance and inexpensiveness. In the present study, the purpose of enriching the fluid with particles greater than 15 microns in diameter accomplished by designing a rectangular microchannel with an array of contractionexpansion regions in which expansion regions (reservoirs) had the task of trapping larger particles. By using the finite element method and by solving the NavierStokes equations, streamlines and vortex shapes are obtained. It was observed that for inlet flow rates in the range of 0.25 to 0.5 milliliters per minute, the highest capture efficiency for particles larger than 10 microns in diameter occurred near 0.35 milliliters per minute. The effect of parameters such as channel height, number of reservoirs and the initial length of the contraction region on the capture efficiency was also measured. Finally, in order to approach the practical applications, the effect of viscosity change due to replacement of blood (NonNewtonian fluid) instead of water was also investigated, which resulted in the formation of vortices at higher flow rates. In general, vortices created in the expansion region, whose intensity depends on the parameters mentioned above, play a dominant role in particle separation, while inertial lift forces appear as an initial guide