[论文解读] Flow field from transient bubble oscillation in a narrow gap: numerical simulations and effect on biological cells

Milad Mohammadzadeh, Fenfang Li+1 more|arXiv (Cornell University)|May 13, 2016

Ultrasound and Cavitation Phenomena被引用 7

一句话总结

本研究采用三维CFD模拟，对激光诱导空化气泡在狭窄圆柱形间隙中产生的瞬态流场进行建模，揭示了壁面附近存在流动反向及强烈的边界层剪切应力。结果解释了实验中观察到的红细胞在气泡膨胀和塌缩过程中因高剪切速率（约2×10⁶ s⁻¹）导致的拉伸现象，而较大细胞则主要受主流带动。

ABSTRACT

The flow driven by a rapidly expanding and collapsing cavitation bubble in a narrow cylindrical gap is studied with the volume of fluid method. The simulations reveal a developing plug flow during the early expansion followed by flow reversal at later stages. An adverse pressure gradient leads to boundary layer separation and flow reversal, causing large shear stress near the boundaries. Analytical solution to a planar pulsating flow shows qualitative agreement with the CFD results. The shear stress close to boundaries has implications to deformable objects located near the bubble: experiments reveal that thin, flat biological cells entrained in the boundary layer become stretched, while cells with a larger cross-section are mainly transported with the flow.

研究动机与目标

• 理解瞬态空化气泡在狭窄圆柱形间隙中产生的复杂三维流场结构。
• 研究边界层和流动反向在壁面附近生物细胞上诱导剪切应力的作用机制。
• 弥合理想化势流模型与微流控空化应用中真实黏性、壁面约束流场之间的差距。
• 通过定量流场分析解释实验中观察到的红细胞拉伸现象。

提出的方法

• 采用体积分数（VOF）方法进行数值模拟，以追踪狭窄圆柱形间隙中脉动气泡的气液界面。
• 模拟由激光诱导的瞬态气泡，其具有随时间变化的膨胀与塌缩动力学行为。
• 应用基于轴对称、不可压缩流动假设的纳维-斯托克斯方程，以模拟黏性、非定常流动。
• 将CFD结果与平面脉动流的解析解进行比较，以验证流动反向和剪切应力趋势。
• 结合可变形生物细胞（如红细胞和RKO细胞）的实验数据，关联流场特征与观测到的细胞行为。
• 量化壁面附近及主流区域的剪切应变率与形变指标。

实验结果

研究问题

• RQ1 瞬态空化气泡在狭窄间隙中的膨胀与塌缩如何产生复杂的流场结构？
• RQ2 边界层和逆压梯度在壁面附近诱导流动反向和涡量方面起何种作用？
• RQ3 所产生的剪切应力与使薄而扁平的生物细胞（如红细胞）发生形变所需的应力相比如何？
• RQ4 为何部分细胞经历显著拉伸，而其他细胞则主要被主流带动？
• RQ5 简化的一维平面脉动流解析模型在多大程度上能再现三维CFD模拟中的关键特征？

主要发现

• 在气泡早期膨胀阶段，流场呈现发展中的栓塞流特征，随后由于壁面附近逆压梯度作用发生流动反向。
• 在膨胀末期和塌缩初期，边界层分离在约束表面附近产生强烈的涡量和回流区。
• 壁面附近的峰值剪切应变率可达约2×10⁶ s⁻¹，足以解释实验中观察到的红细胞拉伸现象。
• 位于边界层的细胞经历显著的剪切诱导形变，而处于主流区域的细胞则主要被带动，形变较小。
• 平面脉动流的解析解与CFD结果具有定性一致性，支持对流动反向和剪切应力生成的物理解释。
• 边界层外的剪切应力显著较低（在1 µm厚度内约10%应变），导致位于中心的细胞形变极小。