微流控粒子分选技术是微流控芯片技术中十分关键的一环,常常用于生物检测、医学试剂制备等领域。粒子尤其是生物粒子在分选过程中的准确性和安全性是人们在芯片设计过程中需要考虑的重要因素。传统的粒子分离技术(如离心法、溶解法等)需要样本量大,分离准确性低,而且容易对粒子造成不可逆的破坏。随着科学技术的发展,这类传统分选技术已经无法满足现代医疗生物领域对分选技术低成本、高效率以及高安全性的要求。微流控分选技术基于微尺度的流动效应以及外部施加物理场等手段,能够将粒子分选的过程完成在厘米级别的芯片上,也叫做芯片实验室(Lab on a chip)。这类分选芯片具有小型化、高效化以及集成化的优点,在最近几十年获得了迅速发展。微流控主动分选芯片是以外部施加如声、光、电、磁等物理场,结合芯片中的流动来达到分选的目的,比起一般的被动分选芯片具有更高的粒子分离效率。但主动分选芯片往往涉及到多相流、微尺度流动、复杂边界流动、多物理场等多种因素,分离机制十分复杂。为弄清主动分选芯片中多物理场对粒子分选特性的影响,设计制造效率更高更安全的芯片,除实验研究外,数值模拟也十分重要。声学粒子分选芯片、粒子惯性聚焦芯片以及介电泳分选芯片这几类芯片涉及到了多物理场耦合和复杂流动等因素。本文以有限单元法和格子玻尔兹曼法为基础,发挥各自优势,建立起一套求解多物理场分选芯片的数值仿真模型,为微流控技术的仿真领域做出一点贡献。本文基于上述方法,对三种芯片的粒子在多物理场和复杂流场作用下的运动特性、变形特性进行了分析,其主要研究内容和成果包括:(1)研究了超声分选芯片中的粒子运动特性:建立了超声分选芯片的有限元模型,对驻波声场中的声辐射力分布、声流分布做出了分析,对比不同尺寸的粒子在二者作用下的运动特性,并基于仿真结果给与了合适的粒子尺寸。证实了有限元法在求解多物理场问题的有效性。(2)研究了非对称弯流道中粒子聚焦特性:建立了非对称弯流道的格子玻尔兹曼模型,对流道结构中的复杂流场分布,截面二次流分布做出分析。基于离散相模型对不同尺寸粒子的聚焦特性进行了模拟,探讨了粒子聚焦机制与粒子直径的关系。仿真发现了流道结构设计不合理出现的粒子滞留现象,分析了此现象对于粒子分选成功率的影响。证实了格子玻尔兹曼法在求解微尺度流动和复杂流场的有效性。(3)研究了介电泳分选芯片中粒子在多物理场耦合作用下的变形特性:建立了介电泳分选芯片的有限元—格子玻尔兹曼联合求解模型,分析了芯片中电场特征、流场特征和粒子分选时的运动特性。对粒子在多物理场作用下的变形情况进行探讨,进一步得出了粒子破裂失效的流速、电压极限条件。结合统计学知识与仿真结果,对流道结构进行了优化,并建立了粒子安全系数与各外部参数设定的经验模型,为介电泳分选芯片设计优化提供参考。