椭圆形颗粒管道输运中的定位与分离方法、系统及终端

1.本发明属于颗粒管道输运定位分离技术领域，尤其涉及一种椭圆形颗粒管道输运中的定位与分离方法、系统及终端。


背景技术：

2.目前，固体颗粒在液体流动管道中的运动非常普遍，如细胞仪中血细胞在血液中的流动、药物颗粒的输送、微流控技术中的颗粒输运等。对颗粒在管道中的横向位置、流向间距进行控制有助于实际应用中颗粒的聚焦、筛选、分离、计数等，因而具有重要的应用价值。
3.早期对于颗粒在管道中的横向平衡位置和流向间距的控制，采用的是施加外力场或者设计复杂几何结构管道的方法，前者如施加磁场、电场等，这需要复杂的外设装置，较难实施；后者则有工艺上的困难。后来采用改变流体运动的惯性力与粘性力之比的方法(即改变雷诺数)，但这种方法以往都是针对的都是圆形颗粒，而在实际应用中并非都是圆形颗粒，其中有很大一部分是像椭圆形、圆柱形那样存在主轴的颗粒，例如一些药物胶囊、细胞等。迄今为止，还没有见到对椭圆形颗粒在管道中的横向平衡位置和流向间距进行控制的报导。因此，亟需设计一种新的椭圆形颗粒管道输运中的定位与分离方法。
4.通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
5.(1)早期对于颗粒在管道中的横向平衡位置和流向间距的控制方法中，施加磁场、电场等外力场的方法需要复杂的外设装置，较难实施。
6.(2)早期对于颗粒在管道中的横向平衡位置和流向间距的控制方法中，设计复杂几何结构管道的方法存在有工艺上的困难。
7.(3)传统的采用改变流体运动的惯性力与粘性力之比的方法都是针对的都是圆形颗粒，而在实际应用中并非都是圆形颗粒。
8.(4)现有技术中还没有见到对椭圆形颗粒在管道中的横向平衡位置和流向间距进行控制的报导。


技术实现要素：

9.针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种椭圆形颗粒管道输运中的定位与分离方法、系统及终端，尤其涉及一种椭圆形固体颗粒在液体流动管道中运动时的横向平衡位置和流向间距的控制方法、系统、介质、设备及终端。
10.本发明是这样实现的，一种椭圆形颗粒管道输运中的定位与分离方法，所述椭圆形颗粒管道输运中的定位与分离方法包括：
11.通过调整驱动压力以调整雷诺数以及控制颗粒尺度、颗粒长短轴比来给予实施，使颗粒在通道中自动运动到某个确定的横向平衡位置以及形成固定流向间距的颗粒链，从而实现实际应用中颗粒的聚焦、筛选、分离和计数。
12.进一步，所述椭圆形颗粒管道输运中的定位与分离方法具体包括：
13.在颗粒尺度和长短轴比固定的情况下，通过调整驱动压力改变流场雷诺数，使颗粒在通道中运动到某个确定的横向平衡位置及形成固定流向间距的颗粒链；
14.在驱动压力和颗粒长短轴比固定的情况下，通过调整颗粒尺度，使颗粒在通道中运动到某个确定的横向平衡位置以及形成固定流向间距的颗粒链；
15.在驱动压力和颗粒尺度固定的情况下，通过调整颗粒长短轴比，使颗粒在通道中运动到某个确定的横向平衡位置以及形成固定流向间距的颗粒链。
16.进一步，所述椭圆形颗粒管道输运中的定位与分离方法采用格子-玻尔兹曼方法进行流体和颗粒运动的数值模拟，具体包括以下步骤：
17.步骤一，颗粒横向平衡位置的控制；
18.步骤二，多颗粒单排分布的颗粒流向间距的控制；
19.步骤三，多颗粒双排交错分布颗粒流向间距的控制。
20.进一步，所述步骤一中的颗粒横向平衡位置的控制包括：
21.牛顿流体在长为l、宽为h的通道两端压差δp驱动下由左向右运动，δp的值由re数体现；椭圆形固体颗粒初始置于通道左端的入口，进入通道后随流体一起沿通道向右运动；颗粒的长轴为d，长半轴和短半轴为a和b，长轴与短轴之比为α＝b/a，通过改变α、k＝d/h、re数控制颗粒的横向平衡位置。
22.所述颗粒横向平衡位置的控制方案具体包括：
23.方案1：调整驱动压力δp使流体运动时的惯性力与粘性力之比re＝32，确定k＝0.33，得到在4种典型α情况下，颗粒的横向平衡位置y/h以及在流向哪个位置上达到平衡位置。
24.方案2：调整驱动压力δp使re＝32，确定α＝2，得到在5种典型k的情况下，颗粒的横向平衡位置y/h和在流向哪个位置上达到平衡位置，以及在4种典型α情况下5种不同k时的平衡位置。
25.方案3：确定k＝0.4，对于2种α，得到在4种雷诺数re＝10、32、62、100下，颗粒的横向平衡位置y/h和在流向哪个位置上达到平衡位置，以及在4种典型α的情况下5种不同re数时的平衡位置。
26.进一步，所述步骤二中的多颗粒单排分布的颗粒流向间距的控制包括：
27.牛顿流体在长为l、宽为h的通道两端压差δp驱动下由左向右运动，δp的值由re数体现；10个椭圆形固体颗粒初始置于通道左端的入口，进入通道后随流体一起沿通道向右运动，最前面的颗粒为p1，后面颗粒依次为p2、
……
p10，p1与p2的间距为d
1-2
，p2与p3的间距为d
2-3
，后面依次为d
3-4
、
……d9-10
；颗粒的长轴为d，长半轴和短半轴为a和b，长轴与短轴之比为α＝b/a，通过改变α、k＝d/h、re数控制颗粒的流向间距。
28.所述多颗粒单排分布的颗粒流向间距的控制方案具体包括：
29.方案1：调整驱动压力δp使re＝32，确定k＝0.33，得到在2种典型α情况下，颗粒的流向间距d
i-j
(j＝i 1,i＝1,
……
9)沿流动方向的变化；对不同α的颗粒，d
i-j
的变化相似，但大α的颗粒能在更长的迁移距离内保持稳定的d
i-j
。
30.方案2：确定k＝0.33，α＝2.0，得到在2种雷诺数re＝10、100下，颗粒的流向间距d
i-j
(j＝i 1,i＝1,
……
9)沿流动方向的变化；在较小re数下，颗粒的流向间距d
i-j
较稳定，只需更短的时间就能形成稳定的d
i-j
。
31.方案3：调整驱动压力δp使雷诺数re＝32，确定α＝2.0和2.5，得到在2种典型的k＝0.24和0.4情况下，颗粒的流向间距d
i-j
(j＝i 1,i＝1,
……
9)沿流动方向的变化；当k较小时，颗粒在较长迁移距离内保持均匀的d
i-j
，随着k的增加，颗粒保持稳定d
i-j
的迁移距离缩短。
32.进一步，所述步骤三中的多颗粒双排交错分布颗粒流向间距的控制包括：
33.牛顿流体在长为l、宽为h的通道两端压差δp驱动下由左向右运动，δp的值由re数体现；14个椭圆形固体颗粒初始置于通道左端入口的上下两排，进入通道后随流体一起沿通道向右运动，上排最前面的颗粒为p
u1
，后面颗粒依次为p
u2
、
……
p
u7
，下排最前面的颗粒为p
d1
，后面颗粒依次为p
d2
、
……
p
d7
，颗粒的流向间距为d
ui-dj
(i＝1,
……
7；j＝1,
……
7)；颗粒长轴为d，长半轴和短半轴为a和b，长轴与短轴之比为α＝b/a，通过改变α、k、re数控制颗粒的流向间距d
ui-dj
。
34.所述多颗粒双排交错分布颗粒流向间距的控制方案具体包括：
35.方案1：调整驱动压力δp使雷诺数re＝32，确定k＝0.33，得到在3种典型α情况下，颗粒的流向间距d
ui-dj
沿流动方向的变化；α越小，d
ui-dj
的波动越小，细长椭圆形颗粒更难形成稳定的d
ui-dj
。
36.方案2：确定k＝0.33，α＝2.0，得到在2种驱动压力δp所对应的雷诺数re＝16、62下，颗粒的流向间距d
ui-dj
沿流动方向的变化；re越大，d
ui-dj
也越大。
37.方案3：调整驱动压力δp使雷诺数re＝32，确定α＝2.0，得到在2种典型的k＝0.24和0.4情况下，颗粒的流向间距d
ui-dj
沿流动方向的变化；k较小时，d
ui-dj
会在一定范围内波动，随着k的增加，d
ui-dj
稳定，不再出现小幅度波动。
38.本发明的另一目的在于提供一种应用所述的椭圆形颗粒管道输运中的定位与分离方法的椭圆形颗粒管道输运中的定位与分离系统，所述椭圆形颗粒管道输运中的定位与分离系统包括：
39.平衡位置控制模块，用于进行颗粒横向平衡位置的控制；
40.单排分布间距控制模块，用于进行多颗粒单排分布的颗粒流向间距的控制；
41.双排交错分布间距控制模块，用于进行多颗粒双排交错分布颗粒流向间距的控制。
42.本发明的另一目的在于提供一种计算机设备，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行所述的椭圆形颗粒管道输运中的定位与分离方法。
43.本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行所述的椭圆形颗粒管道输运中的定位与分离方法。
44.本发明的另一目的在于提供一种信息数据处理终端，所述信息数据处理终端用于实现所述的椭圆形颗粒管道输运中的定位与分离系统。
45.结合上述的技术方案和解决的技术问题，请从以下几方面分析本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：
46.第一、针对上述现有技术存在的技术问题以及解决该问题的难度，紧密结合本发明的所要保护的技术方案以及研发过程中结果和数据等，详细、深刻地分析本发明技术方
案如何解决的技术问题，解决问题之后带来的一些具备创造性的技术效果。具体描述如下：
47.本发明提供了一种椭圆形固体颗粒在液体流动管道中运动时的横向平衡位置和流向间距的控制的方法，采用格子-玻尔兹曼方法进行流体和颗粒运动的数值模拟；通过调整驱动压力以调整雷诺数以及控制颗粒尺度、颗粒长短轴比来给予实施，使颗粒在通道中自动运动到某个确定的横向平衡位置以及形成固定流向间距的颗粒链，从而便于实际应用中颗粒的聚焦、筛选、分离和计数。
48.第二，把技术方案看做一个整体或者从产品的角度，本发明所要保护的技术方案具备的技术效果和优点，具体描述如下：
49.本发明仅通过控制驱动管道两端的差压和椭圆形固体颗粒的直径与长径比，就可在无需其他外力条件下，使颗粒在管道运动时达到指定的横向平衡位置。对单排和多排多颗粒而言，可以得到稳定的颗粒流向间距。因此，本发明可以极大地提高固体颗粒在液体流动管道输运中定位的精度和效率，实现对颗粒的高效计数和分离，从而提高效率和节约成本。
50.第三，作为本发明的权利要求的创造性辅助证据，还体现在以下重要方面：本发明的技术方案填补了国内外业内技术空白：即填补了对椭圆形颗粒在管道中输运时进行横向平衡位置和流向间距控制的空白。
附图说明
51.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。
52.图1是本发明实施例提供的牛顿流体在长为l、宽为h的通道两端压差δp驱动下由左向右运动，δp的值可以由re数体现的示意图；
53.图2是本发明实施例提供的颗粒的横向平衡位置(y/h)以及在流向哪个位置上达到平衡位置的示意图；
54.图3是本发明实施例提供的颗粒的横向平衡位置(y/h)和在流向哪个位置上达到平衡位置的示意图；
55.图4是本发明实施例提供的颗粒在4种典型α情况下5种不同k时的平衡位置示意图；
56.图5是本发明实施例提供的颗粒的横向平衡位置(y/h)和在流向哪个位置上达到平衡位置的示意图；
57.图6是本发明实施例提供的颗粒在4种典型α的情况下5种不同re数时的平衡位置示意图；
58.图7是本发明实施例提供的牛顿流体在长为l、宽为h的通道两端压差δp驱动下由左向右运动，δp的值可以由re数体现的示意图；
59.图8是本发明实施例提供的在2种典型α情况下，颗粒的流向间距d
i-j
(j＝i 1,i＝1,
……
9)沿流动方向的变化示意图；
60.图9～图10是本发明实施例提供的在2种雷诺数re＝10、100下，颗粒的流向间距di-j
(j＝i 1,i＝1,
……
9)沿流动方向的变化示意图；
61.图11是本发明实施例提供的在2种典型的k＝0.24和0.4情况下，颗粒的流向间距d
i-j
(j＝i 1,i＝1,
……
9)沿流动方向的变化示意图；
62.图12是本发明实施例提供的牛顿流体在长为l、宽为h的通道两端压差δp驱动下由左向右运动，δp的值可以由re数体现的示意图；
63.图13是本发明实施例提供的在3种典型α情况下，颗粒的流向间距d
ui-dj
沿流动方向的变化示意图；
64.图14是本发明实施例提供的在2种驱动压力δp所对应的雷诺数re＝16、62下，颗粒的流向间距d
ui-dj
沿流动方向的变化示意图；
65.图15是本发明实施例提供的在2种典型的k＝0.24和0.4情况下，颗粒的流向间距d
ui-dj
沿流动方向的变化示意图；
66.图16是本发明实施例提供的椭圆形颗粒管道输运的定位与分离方法流程图。
具体实施方式
67.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
68.针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种椭圆形颗粒管道输运中的定位与分离方法、系统及终端，下面结合附图对本发明作详细的描述。
69.一、解释说明实施例。为了使本领域技术人员充分了解本发明如何具体实现，该部分是对权利要求技术方案进行展开说明的解释说明实施例。
70.本发明实施例提供的椭圆形颗粒管道输运中的定位与分离方法具体包括：
71.在颗粒尺度和长短轴比固定的情况下，通过调整驱动压力来改变流场雷诺数，使颗粒在通道中运动到某个确定的横向平衡位置以及形成固定流向间距的颗粒链。
72.在驱动压力和颗粒长短轴比固定的情况下，通过调整颗粒尺度，使颗粒在通道中运动到某个确定的横向平衡位置以及形成固定流向间距的颗粒链。
73.在驱动压力和颗粒尺度固定的情况下，通过调整颗粒长短轴比，使颗粒在通道中运动到某个确定的横向平衡位置以及形成固定流向间距的颗粒链。
74.通过以上方法实现实际应用中颗粒的聚焦、筛选、分离和计数。
75.如图16所示，本发明实施例提供的椭圆形颗粒管道输运的定位与分离方法包括以下步骤：
76.s101，颗粒横向平衡位置的控制；
77.s102，多颗粒单排分布的颗粒流向间距的控制；
78.s103，多颗粒双排交错分布颗粒流向间距的控制。
79.本发明实施例采用格子-玻尔兹曼方法进行流体和颗粒运动的数值模拟。本发明实施例提供的椭圆形颗粒管道输运的定位与分离方法具体包括：
80.1.颗粒横向平衡位置的控制
81.如图1所示，牛顿流体在长为l、宽为h的通道两端压差δp驱动下由左向右运动，δp的值可以由re数体现。椭圆形固体颗粒初始置于通道左端的入口，进入通道后随流体一起
沿通道向右运动。颗粒的长轴为d，长半轴和短半轴为a和b，长轴与短轴之比为α＝b/a，通过改变α、k＝d/h、re数来控制颗粒的横向平衡位置。
82.方案1
83.调整驱动压力δp使re＝32(流体运动时的惯性力与粘性力之比)，确定k＝0.33，可以得到在4种典型α情况下，颗粒的横向平衡位置(y/h)以及在流向哪个位置上达到平衡位置(如图2所示)。
84.方案2
85.调整驱动压力δp使re＝32，确定α＝2，可以得到在5种典型k的情况下，颗粒的横向平衡位置(y/h)和在流向哪个位置上达到平衡位置(如图3所示)，以及在4种典型α情况下5种不同k时的平衡位置(如图4所示)。
86.方案3
87.确定k＝0.4，对于2种α，可以得到在4种雷诺数re＝10、32、62、100下，颗粒的横向平衡位置(y/h)和在流向哪个位置上达到平衡位置(如图5所示)，以及在4种典型α的情况下5种不同re数时的平衡位置(如图6所示)。
88.2.多颗粒单排分布的颗粒流向间距的控制
89.如图7所示，牛顿流体在长为l、宽为h的通道两端压差δp驱动下由左向右运动，δp的值可以由re数体现。10个椭圆形固体颗粒初始置于通道左端的入口，进入通道后随流体一起沿通道向右运动，最前面的颗粒为p1，后面颗粒依次为p2、
……
p10，p1与p2的间距为d
1-2
，p2与p3的间距为d
2-3
，后面依次为d
3-4
、
……d9-10
。颗粒的长轴为d，长半轴和短半轴为a和b，长轴与短轴之比为α＝b/a，通过改变α、k＝d/h、re数来控制颗粒的流向间距。
90.方案1
91.调整驱动压力δp使re＝32，确定k＝0.33，可以得到在2种典型α情况下，颗粒的流向间距d
i-j
(j＝i 1,i＝1,
……
9)沿流动方向的变化(如图8所示)。可见对不同α的颗粒，d
i-j
的变化相似，但大α的颗粒能在更长的迁移距离内保持稳定的d
i-j
。
92.方案2
93.确定k＝0.33，α＝2.0，可以得到在2种雷诺数re＝10、100下，颗粒的流向间距d
i-j
(j＝i 1,i＝1,
……
9)沿流动方向的变化(如图9～10所示)。可见在较小re数下，颗粒的流向间距d
i-j
较稳定，只需更短的时间就能形成稳定的d
i-j
。
94.方案3
95.调整驱动压力δp使雷诺数re＝32，确定α＝2.0和2.5，可以得到在2种典型的k＝0.24和0.4情况下，颗粒的流向间距d
i-j
(j＝i 1,i＝1,
……
9)沿流动方向的变化(如图11所示)。可见当k较小时，颗粒在较长迁移距离内保持均匀的d
i-j
，随着k的增加，颗粒保持稳定d
i-j
的迁移距离缩短。
96.3.多颗粒双排交错分布颗粒流向间距的控制
97.如图12所示，牛顿流体在长为l、宽为h的通道两端压差δp驱动下由左向右运动，δp的值可以由re数体现。14个椭圆形固体颗粒初始置于通道左端入口的上下两排，进入通道后随流体一起沿通道向右运动，上排最前面的颗粒为p
u1
，后面颗粒依次为p
u2
、
……
p
u7
，下排最前面的颗粒为p
d1
，后面颗粒依次为p
d2
、
……
p
d7
，颗粒的流向间距为d
ui-dj
(i＝1,
……
7；j＝1,
……
7)。颗粒长轴为d，长半轴和短半轴为a和b，长轴与短轴之比为α＝b/a，通过改变α、
k、re数来控制颗粒的流向间距d
ui-dj
。
98.方案1
99.调整驱动压力δp使雷诺数re＝32，确定k＝0.33，可以得到在3种典型α情况下，颗粒的流向间距d
ui-dj
沿流动方向的变化(如图13所示)。可见α越小，d
ui-dj
的波动越小，细长椭圆形颗粒更难形成稳定的d
ui-dj
。
100.方案2
101.确定k＝0.33，α＝2.0，可以得到在2种驱动压力δp所对应的雷诺数re＝16、62下，颗粒的流向间距d
ui-dj
沿流动方向的变化(如图14所示)。可见re越大，d
ui-dj
也越大。
102.方案3
103.调整驱动压力δp使雷诺数re＝32，确定α＝2.0，可以得到在2种典型的k＝0.24和0.4情况下，颗粒的流向间距d
ui-dj
沿流动方向的变化(如图15所示)。可见k较小时，d
ui-dj
会在一定范围内波动，随着k的增加，d
ui-dj
稳定，不再出现小幅度波动。
104.二、应用实施例。为了证明本发明的技术方案的创造性和技术价值，该部分是对权利要求技术方案进行具体产品上或相关技术上的应用实施例。
105.1.颗粒横向平衡位置的控制
106.(1)当re＝32、k＝0.33、α＝2时，颗粒的横向平衡位置y/h＝0.298；
107.(2)当re＝32、k＝0.4、α＝1.33时，颗粒的横向平衡位置y/h＝0.321；
108.(3)当re＝100、k＝0.4、α＝2.86时，颗粒的横向平衡位置y/h＝0.303。
109.2.多颗粒单排分布的颗粒流向间距的控制
110.(1)当re＝32、k＝0.33、α＝2.5时，中间颗粒的间距d/d≈7；
111.(2)当re＝10、k＝0.33、α＝2.0时，颗粒间距在x/h≈850处已基本稳定；
112.(3)当re＝32、k＝0.24、α＝2.5时，中间颗粒的间距d/d≈5.1。
113.3.多颗粒双排交错分布颗粒流向间距的控制
114.(1)当re＝32、k＝0.33、α＝1.67时，颗粒的间距d/d集中在2.3～2.8的范围；
115.(2)当re＝16、k＝0.33、α＝2.0时，颗粒的间距d/d集中在2.4～2.7的范围；
116.(2)当re＝32、k＝0.4、α＝2.0时，颗粒的间距d/d集中在1.8～2.4的范围。
117.三、实施例相关效果的证据。本发明实施例在研发或者使用过程中取得了一些积极效果，和现有技术相比的确具备很大的优势，下面内容结合试验过程的数据、图表等进行描述。
118.本发明实施例提供的椭圆形固体颗粒在液体流动管道中运动时的横向平衡位置和流向间距的控制的方法，采用格子-玻尔兹曼方法进行流体和颗粒运动的数值模拟；通过调整驱动压力以调整雷诺数以及控制颗粒尺度、颗粒长短轴比来给予实施，使颗粒在通道中自动运动到某个确定的横向平衡位置以及形成固定流向间距的颗粒链，可以方便地对实际应用中椭圆形颗粒在管道中输运时实施聚焦、筛选、分离和计数，填补了对椭圆形颗粒在管道中输运时进行横向平衡位置和流向间距控制的空白。
119.另外，本发明仅通过控制驱动管道两端的差压和椭圆形固体颗粒的直径与长径比，就可在无需其他外力条件下，使颗粒在管道运动时达到指定的横向平衡位置。对单排和多排多颗粒而言，可以得到稳定的颗粒流向间距。因此，本发明可以极大地提高固体颗粒在液体流动管道输运中定位的精度和效率，实现对颗粒的高效计数和分离，从而提高效率和
节约成本。
120.应当注意，本发明的实施方式可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行系统，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的普通技术人员可以理解上述的设备和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、cd或dvd-rom的载体介质、诸如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本发明的设备及其模块可以由诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的处理器执行的软件实现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。
121.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。