×

微流道中软颗粒流动的等几何边界元方法。 (英语) 兹比尔1521.76510

小结:了解可变形颗粒(如液滴、合成胶囊和囊泡)以及限制在小通道中的生物细胞的流动对于广泛的潜在化学和生物医学工程应用至关重要。低雷诺数流动中这种流体-结构(膜)相互作用的计算机模拟提出了流动应力、复杂颗粒界面力学特性和流体约束之间复杂相互作用所面临的重大挑战。在这里,我们将有限元法(FEM)和边界元法(BEM)相结合,提出了一个等几何计算框架,用于精确预测在微流体通道中传输的单个软颗粒的变形和运动。提出的数值框架与等几何分析范式一致;Loop的细分元素不仅用于几何表示,还用于膜力学求解器(FEM)和界面流体动力学求解器(BEM)。我们通过将模拟结果与文献中两个著名示例(即圆管中具有恒定表面张力的液滴和方形通道中具有超薄超弹性膜的胶囊)的高精度基准解进行比较,验证了我们的方法。我们证明了该数值方法在时间和空间上都具有二阶收敛性。为了进一步证明算法的准确性和长期数值稳定性,我们对具有弯曲刚度的脂质囊泡和毛细血管中具有复合膜的红细胞进行了流体力学计算。本工作为研究受限软颗粒的变形行为,特别是颗粒的形状转变和动力学及其在河道流动中的流变特征提供了一些可能性。

MSC公司:

76米15 边界元法在流体力学问题中的应用
65号38 偏微分方程边值问题的边界元方法
65D07年 使用样条曲线进行数值计算
76T20型 悬架
PDF格式BibTeX公司 XML格式引用

参考文献:

[1] 斯通,H。;斯特罗克,A。;Ajdari,A.,《小型设备中的工程流动:微流体朝向芯片实验室》,《流体力学年鉴》,36,1,381-411(2004)·Zbl 1076.76076号
[2] 水,L。;艾克尔,J.C。;van den Berg,A.,微流体系统中的多相流-液滴和界面的控制和应用,高级胶体界面科学,133,1,35-49(2007)
[3] Geislinger,T.M。;Franke,T.,流体中小泡和红细胞的流体动力提升-从Fáhrus和Lindqvist到微流体细胞分选,高级胶体界面科学,208,161-176(2014)
[4] C.Wyatt Shields,I.V.公司。;雷耶斯,C.D。;López,G.P.,《微流体细胞分选:从脱碱到稀有细胞分离的细胞分离进展综述》,实验室芯片,15,1230-1249(2015)
[5] 塞科姆,T.W。;Pries,A.R.,《微血管中的血液粘度:实验和理论》,C R Phys,14,6,470-478(2013)
[6] 托马乌奥洛,G。;西蒙,M。;马丁内利,V。;罗托利,B。;Guido,S.,微限制流中红细胞变形,软物质,53736-3740(2009)
[7] 刘,D。;张,H。;Fontana,F。;希尔沃宁,J.T。;Santos,H.A.,控制药物输送载体的微流体辅助制造,实验室芯片,17,11,1856-1883(2017)
[8] 巴罗德,C.N。;盖莱尔,F。;Dangla,R.,微流体液滴动力学,实验室芯片,102032-2045(2010)
[9] Anna,S.L.,微流体装置中的液滴和气泡,《流体力学年鉴》,48,1,285-309(2016)·Zbl 1356.76374号
[10] 弗拉霍夫斯卡,P.M。;巴特斯·比塞尔,D。;Misbah,C.,红细胞及其仿生对应物的流动动力学,C R Phys,14,6,451-458(2013)
[11] Barthès-Biesel,D.,流动中弹性胶囊和囊泡的运动和变形,《流体力学年鉴》,48,1,25-52(2016)·Zbl 1356.76459号
[12] Freund,J.B.,流动血细胞的数值模拟,《流体力学年鉴》,46,1,67-95(2014)·Zbl 1297.76198号
[13] Trozzo,R。;Boedec,G。;Leonetti,M。;Jaeger,M.,毛细血管中囊泡的轴对称边界元法,《计算物理杂志》,289,62-82(2015)·Zbl 1351.76150号
[14] Chen,P.G。;Lyu,J.M。;Jaeger,M。;Leonetti,M.,管流中囊泡的形状转变和流体动力学,《流体物理学评论》,5,4,043602(2020)
[15] Abreu博士。;黎凡特,M。;斯坦伯格,V。;Seifert,U.,《流动中的流体囊泡》,《高级胶体界面科学》,208129-141(2014)
[16] 李,Z。;伊藤,K。;Lai,M.C.,具有不连续粘性和奇异力的斯托克斯方程的增广方法,计算流体,36,622-635(2007)·Zbl 1177.76291号
[17] 门德斯,S。;Gibaud,E。;Nicoud,F.,《模拟任意雷诺数下流动中可变形颗粒的非结构化解算器》,《计算物理杂志》,256465-483(2014)·Zbl 1349.76944号
[18] Ye,H。;黄,H。;Lu,X.Y.,薄壁柔性胶囊动态分选的数值研究,Comput Fluids,114110-120(2015)·Zbl 1390.76787号
[19] 张,H。;Misbah,C.,《化学物质平流扩散的格子Boltzmann模拟及其在血流中的应用》,计算流体,187,46-59(2019)·Zbl 1474.76063号
[20] 野口,H。;Gompper,G.,毛细血管流动中液泡和红细胞的形状转变,美国国家科学院院刊,102,40,14159-14164(2005)
[21] Fedosov,D.A。;卡斯维尔,B。;Karniadakis,G.E.,光谱级红细胞模型的系统粗粒度,计算方法应用机械工程,1991937-1948(2010)·Zbl 1231.74311号
[22] Lanotte,L。;Mauer,J。;门德斯,S。;Fedosov,D.A。;弗罗mental,J.-M。;克拉维利亚,V。;Nicoud,F。;Gompper,G。;Abkarian,M.,红细胞的动态形态控制微循环流动条件下的血液剪切变稀,美国国家科学院院刊,113,47,13289-13294(2016)
[23] Pozrikidis,C.,线性粘性流的边界积分和奇异性方法(1992),剑桥大学出版社·Zbl 0772.76005号
[24] Lac,E。;Sherwood,J.D.,在压力驱动流中沿毛细管中心线的液滴运动,流体力学杂志,640,27-54(2009)·Zbl 1183.76697号
[25] Nagel,M。;Gallaire,F.,浅槽微流体两相流的边界元法,计算流体,107,272-284(2015)·Zbl 1390.76548号
[26] Joneidi,A。;Verhoosel,C。;Anderson,P.,等粘性流中液滴和不可伸展膜的等几何边界积分分析,Comput Fluids,10949-66(2015)·Zbl 1390.76651号
[27] J.Gounley。;Boedec,G。;Jaeger,M。;Leonetti,M.,表面粘度对剪切流中液滴的影响,《流体力学杂志》,791,464-494(2016)·Zbl 1382.76260号
[28] 胡晓秋。;沙萨克,A.-V。;Barthès-Biesel,D.,圆形或方形横截面孔隙中球形胶囊的流动,流体力学杂志,705176-194(2012)·Zbl 1250.76194号
[29] Boedec,G.等人。;Leonetti,M。;Jaeger,M.,用线性三角曲面进行三维囊泡动力学模拟,《计算物理杂志》,2301020-1034(2011)·Zbl 1391.76525号
[30] 法鲁汀,A。;Biben,T。;Misbah,C.,囊泡和不可拉伸胶囊动力学的三维数值模拟,《计算物理杂志》,275539-568(2014)·Zbl 1349.76416号
[31] Boedec,G。;Leonetti,M。;Jaeger,M.,Stokes流中液滴、囊泡和囊泡动力学的等几何FEM-BEM模拟,计算物理杂志,342,117-138(2017)·Zbl 1376.74008号
[32] Barakat,J.M。;Shaqfeh,E.S.G.,《圆管中囊泡的斯托克斯流动》,《流体力学杂志》,851,606-635(2018)
[33] 赵,H。;Isfahani,A.H.G。;奥尔森,L。;Freund,J.,流动血细胞的光谱边界积分法,计算物理杂志,229,10,3726-3744(2010)·Zbl 1186.92013号
[34] 拉马努扬,S。;Pozrikidis,C.,简单剪切流中由弹性膜包裹的液膜的变形:大变形和流体粘度的影响,流体力学杂志,361,117-143(1998)·Zbl 0921.76058号
[35] 中灿,O.-Y。;Helfrich,W.,《囊泡膜的弯曲能量:形状能量的第一、第二和第三变化的一般表达式及其在球体和圆柱体中的应用》,《物理学评论A》,39,5280-5288(1989)
[36] Guckenberger,A。;Schraml,M.P。;Chen,P.G。;Leonetti,M。;Gekle,S.,关于流中软对象的弯曲算法,Comput Phys Commun,207,1-23(2016)·Zbl 1375.76128号
[37] Cirak,F。;奥尔蒂斯,M。;Schröder,P.,《细分曲面:薄壳有限元分析的新范式》,国际数值方法工程杂志,47,12,2039-272(2000)·Zbl 0983.74063号
[38] 休斯·T。;科特雷尔,J。;Bazilevs,Y.,《等几何分析:CAD,有限元,NURBS,精确几何和网格细化》,《计算方法应用机械工程》,194,39,4135-4195(2005)·Zbl 1151.74419号
[39] Loop,C.,《基于三角形的光滑细分曲面》(1987),犹他大学数学系,硕士论文
[40] 音乐大师,J。;Pallares,J。;库斯塔,I。;Scott,M.A.,《剪切流中可变形颗粒模拟的动态重网格三维等几何BE-FE分析》,计算方法应用机械工程,326,70-101(2017)·Zbl 1439.74446号
[41] Bartezzaghi,A。;Dedè,L。;Quarteroni,A.,等几何分析生物膜建模,计算方法应用机械工程,347103-119(2019)·Zbl 1440.74193号
[42] 巴拉卡特,J.M。;艾哈迈德·S·M。;瓦纳帕利,S.A。;Shaqfeh,E.S.G.,通过方形微通道的囊泡压力驱动流,流体力学杂志,861,447-483(2019)·Zbl 1415.76147号
[43] Helfrich,W.,脂质双层的弹性特性:理论和可能的实验,Z Naturforsch,28c,693-703(1973)
[44] Lyu,J。;Chen,P.G。;Boedec,G。;Leonetti,M。;Jaeger,M.,红细胞的混合连续粗粒建模,C R Mec,346439-448(2018)
[45] Stam,J.,《回路细分曲面的评估》,SIGGRAPH 99课程笔记(2001)·Zbl 0970.68184号
[46] Cirak,F。;Long,Q.,《具有精确边界控制和非流形几何的细分壳》,《国际数值方法工程杂志》,88,9,897-923(2011)·Zbl 1242.74102号
[47] Walter,J。;沙萨克,A.-V。;Barthès-Biesel,D。;Tallec,P.L.,斯托克斯流中胶囊的有限元和边界积分方法耦合,国际数值方法工程杂志,83,7,829-850(2010)·Zbl 1197.74187号
[48] Pozrikidis,C.,管流中细胞运动的数值模拟,Ann Biomed Eng,33,2,165-178(2005)
[49] Fehlberg,E.,具有步长控制的低阶经典Runge-Kutta公式及其在一些传热问题中的应用(1969年),NASA,技术代表。
[50] Knoll,D.A。;Keyes,D.E.,无Jacobian牛顿-克利洛夫方法:方法和应用调查,计算物理杂志,193,2,357-397(2004)·Zbl 1036.65045号
[51] Yih,C.S.,《流体力学》(1979),西河出版社·Zbl 0397.76001号
[52] Kuriakose,S。;Dimitrakopoulos,P.,《弹性胶囊在方形微流体通道中的运动》,《物理评论E》,84,011906(2011)
[53] 利隆,N。;Shahar,R.,管道中Stokeslet引起的Stokes流,流体力学杂志,86,727-744(1978)·Zbl 0374.76036号
[54] Brenner,H.,管道流中中性浮力颗粒运动引起的压降,《流体力学杂志》,43,641-660(1970)·Zbl 0269.76069号
[55] Hetsroni,G。;Haber,S.,Wacholder,管内轴向运动液滴内部和周围的流场,《流体力学杂志》,41,4,689-705(1970)·兹比尔0193.26301
[56] 胡晓秋。;Sévénié,B。;沙萨克,A.-V。;勒克莱尔。;Barthès-Biesel,D.,描述方形微流道中流动胶囊的膜特性:膜本构定律的影响,《物理评论》E,87,063008(2013)
[57] Farutin,A。;Misbah,C.,轴向Poiseuille流中三维囊泡的对称破缺和交叉流线迁移,Phys Rev E,89,042709(2014)
[58] 阿加瓦尔,D。;Biros,G.,《无约束和受限Poiseuille流中三维囊泡的稳定形状》,《物理评论流体》,5,1,013603(2020)
[59] 埃文斯,E.A。;Skalak,R.,《生物膜的力学和热力学》(1980),CRC出版社
此参考列表基于出版商或数字数学图书馆提供的信息。其项与zbMATH标识符进行启发式匹配,可能包含数据转换错误。在某些情况下,zbMATH Open的数据对这些数据进行了补充/增强。这试图尽可能准确地反映原始论文中列出的参考文献,而不要求完整或完全匹配。