伪时间推进法加速CFD的稳态求解

介电泳（Dielectrophoresis, DEP）是一种基于电场作用下介电常数差异导致的颗粒迁移现象，它适用于电中性或整体净电荷接近零的颗粒（如细胞、微粒、纳米粒子等），这些颗粒在非均匀电场中受到的力并不依赖于自身的电荷，而是源于它们与周围介质间的介电性质差异。一、基本原理 - 介电性质差异：当电中性颗粒置于非均匀电场中时，由于颗粒与周围介质（通常是溶剂）的介电常数（ε_p 和 ε_m）存在差异，会在颗粒表面产生不均匀的电位分布。 - 力的作用：这种不均匀电位分布导致了空间电荷的积累，从而在颗粒周围产生一个非零的电场梯度。根据洛伦兹力定律，电场梯度与颗粒中感应电偶极矩的变化率成比例，进而产生一个作用于颗粒的力，即介电泳力（F_DEP）。 - 力的性质：介电泳力的方向取决于颗粒与介质的相对介电常数以及电场梯度的符号。若颗粒的介电常数小于溶剂（ε_p < ε_m），颗粒会被推向电场强度较低的地方；反之，若颗粒介电常数较大（ε_p > ε_m），颗粒会被吸引到电场强度较高的区域。若颗粒与溶剂的介电常数相等，则不会发生介电泳现象。 二、介电泳力的表达 在简单的二维或轴对称电场情况下，颗粒所受的介电泳力可以用以下公式表示：其中，r 是颗粒半径，ε_m 是周围介质的介电常数，χ_p 是颗粒的复相对电容率（包含实部和虚部），E 是电场强度，∇E 是电场梯度。 三、影响因素 - 颗粒属性：颗粒的大小、形状、介电常数、电导率等都影响介电泳响应。一般来说，颗粒越大，介电泳力越显著；形状不规则的颗粒可能会经历复杂的旋转和翻滚。 - 电场参数：电场的强度、频率、非均匀性（如电极几何形状、距离等）直接影响介电泳力的大小和方向。 - 介质性质：溶剂的介电常数、电导率、粘度等物理参数也会影响介电泳效应。 四、介电泳的CFD仿真策略 计算流体动力学（CFD）仿真可以用来精确模拟介电泳现象，为理解和优化相关实验系统提供有力工具。在进行介电泳的CFD仿真时，通常涉及以下步骤：1. 模型建立： - 多物理场耦合：构建包含流体动力学（描述流体流动）、电磁学（描述电场分布）以及颗粒动力学（描述颗粒运动）的多物理场耦合模型。 - 颗粒动力学模型：针对介电泳力，需引入相应的力项到颗粒运动方程中，描述颗粒在电场作用下的加速、旋转和迁移。2. 网格划分与求解域设定： - 精细网格：由于介电泳效应往往发生在微观尺度，需要对颗粒周围区域进行精细化网格划分，以准确捕捉电场梯度和颗粒运动细节。 - 电极与流道几何：详细定义电极形状、位置以及流道内流体的初始与边界条件。3. 边界条件与材料属性： - 电极电势：设定电极的电势差，产生非均匀电场。 - 颗粒属性：输入颗粒的介电常数、电导率、形状、初始位置和速度等信息。 - 流体与介质属性：定义流体的电导率、介电常数、粘度等物理参数。4. 数值求解与算法选择： - 时间步长：根据颗粒运动速度和电场变化速率选择合适的时间步长。 - 求解器：选用适合求解多物理场问题的求解器，如基于有限元法（FEM）、有限体积法（FVM）或有限差分法（FDM）的求解器。 - 迭代收敛准则：设定合适的收敛标准，确保电场、流场以及颗粒运动的计算结果达到所需精度。5. 结果分析： - 颗粒轨迹与速度：观察并分析颗粒在电场作用下的运动轨迹、速度变化，评估介电泳分离效果。 - 力分布：计算颗粒所受介电泳力随时间和空间的分布，理解力的作用机制。 - 优化设计：通过改变电极配置、调整电场参数、选择不同介质或颗粒类型，优化介电泳分离或操纵系统的性能。6. 专用软件与模块： - COMSOL Multiphysics：常用于介电泳仿真的商业化软件之一，提供流体流动颗粒追踪接口，可以直接应用介电泳力功能进行血小板、红细胞等生物颗粒的连续分离仿真。 - 其他专业CFD软件：如ANSYS Fluent、OpenFOAM等，可通过用户自定义函数（UDFs）或附加模块实现介电泳力的计算，并结合多相流模型进行颗粒运动模拟。综上所述，介电泳是一种利用介电性质差异进行颗粒操纵的技术，CFD仿真为其提供了深入理解、优化设计与预测性能的有效手段。通过模拟电场分布、流体流动以及颗粒运动，可以研究不同参数对介电泳效应的影响，设计和优化微流控芯片、生物分离设备、颗粒合成与组装系统等应用中的介电泳过程。 五、工程应用 1. 生物医学研究与诊断： - 细胞分选与分析：利用介电泳力的不同响应，可以根据细胞的介电性质差异对各种细胞（如癌细胞、免疫细胞、干细胞等）进行高效、无损的分选。这对于基础生物学研究、疾病诊断、个性化医疗以及药物筛选具有重要意义。 - 生物传感器：介电泳可以用于生物分子（如DNA、蛋白质、病毒等）的捕获、富集和检测，构建基于介电泳效应的生物传感器，用于即时诊断、环境监测和食品安全等领域。 - 细胞功能研究：通过介电泳力对单个细胞进行精确操纵（如定位、变形、刺 激），可以研究细胞的力学特性、电生理反应以及与微环境的交互作用，推进细胞生物学和病理学研究。2. 微流控技术： - 微粒操控：介电泳被广泛应用于微流控芯片中，用于微粒（如纳米粒子、细胞、细菌等）的捕获、释放、定向移动、聚集与分散，实现对微粒运动的精确控制，服务于微全分析系统（μTAS）、实验室芯片（Lab-on-a-Chip）、生物芯片等应用。 - 液滴生成与操控：介电泳可用于微液滴的生成、合并、分裂以及定向移动，这对于微反应器、数字PCR、液滴微流控生物检测等技术至关重要。 - 微阵列组装：利用介电泳力引导颗粒在基底上形成特定图案或结构，用于制备生物传感器阵列、药物释放载体、光电子器件等。3. 材料科学与纳米技术： - 纳米颗粒合成与组装：介电泳可用于控制纳米颗粒在溶液中的生长、自组装过程，制备具有特定功能的纳米复合材料或有序结构，如光子晶体、纳米线阵列、超材料等。 - 纳米粒子分离与纯化：根据纳米粒子的介电性质差异，介电泳可用于纳米材料的分级分离、提纯以及元素分析，服务于纳米材料的制备与表征。 - 微电子与光电子器件：介电泳技术可用于半导体量子点、碳纳米管、石墨烯等纳米材料的定位沉积与排列，用于制造高性能电子器件、光电器件以及传感器。4. 环境监测与处理： - 污染物检测：介电泳生物传感器可用于环境中痕量污染物（如重金属离子、有机污染物、病原体等）的快速、灵敏检测。 - 水处理：介电泳可用于水体中颗粒物（如悬浮物、藻类、微生物等）的分离与浓缩，作为水净化工艺的一部分。5. 食品与农业： - 食品安全检测：介电泳生物传感器可用于食品中病原微生物、毒素、过敏原等有害物质的快速检测，保障食品安全。 - 种子筛选与育种：利用介电泳对农作物种子进行质量筛选，选择具有优良遗传特性的种子进行育种，提高农业生产效率。 综上所述，介电泳现象在生物医学、微流控、材料科学、环境监测、食品与农业等多个工程领域展现了丰富的应用价值，通过精准操控电中性颗粒，推动了相关领域的技术创新与进步。随着技术的发展与设备的微型化，介电泳的应用前景将持续拓展。 来源：CFD饭圈