矩形截面通道中颗粒惯性聚集现象的力学成因

基于“相对运动模型”，利用CFD技术数值计算在矩形截面通道中刚性球形颗粒运动的力学特性，获得球形颗粒所受惯性升力的空间分布特征。分析使其稳定聚集位置产生变化的因素，为矩形截面通道中颗粒的惯性聚集现象的研究及可控性商业应用提供指导。研究结果表明：在矩形截面通道中，颗粒受到惯性升力水平分量的作用，远离短边壁面的中心附近向长边壁面方向移动，使本应存在的两个稳定聚集位置消失；流体雷诺数的不同会使颗粒所受的惯性升力竖直分量产生差异性变化，雷诺数较小时会使矩形截面通道中四个直角处的惯性聚集位置消失；截面通道高宽比会影响惯性升力水平分量的分布特征，颗粒的自转效应是这一现象的主要影响因素。

Segré & Silberberg 于1961 年通过实验[1] [2]研究了悬浮(颗粒与流体的密度相等)颗粒在圆管直通道内随流体运动的情况。研究结果表明：颗粒在聚集过程中表现出自发性，即无需额外施加电或磁场，以现象为基础制作的微流控芯片已成功实现了颗粒和细胞的分离。

已有研究表明：颗粒惯性聚集的形态完全决定于通道截面的几何形状[3]：圆形截面通道内，颗粒会聚集成为一个同心圆环[4] (如图1(a)所示)；方形截面通道内，颗粒聚集在通道壁面中心附近，呈对称分布的四个点[5] (如图1(b)所示)；矩形截面通道内，颗粒的聚集区域仅分布于长壁面的中心附近，呈对称分布的两个点(如图1(c)所示)，而短边壁面中心附近并不存在聚集区域[6]。若通道Re 变大，圆形和方形截面通道中颗粒的聚集位置会向壁面方向靠近[7]；而在矩形截面通道中，颗粒会聚集在平行于长边壁面的附近，呈现对称的两列聚集点分布(如图1(c)所示)。

(a) 圆形截面通道 (b)方形截面通道