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Bitte beziehen Sie sich beim Zitieren dieses Dokumentes immer auf folgende
URN: urn:nbn:de:bsz:25-opus-71361
URL: http://www.freidok.uni-freiburg.de/volltexte/7136/


Cupelli, Claudio Giorgio

Dissipative particle dynamics as a simulation tool for capillary wetting and suspensions in microfluidic applications

Dissipative Partikel Dynamik als ein Simulationswerkzeug zur Berechnung kapillarer Effekte und Suspensionen in mikrofluidischen Anwendungen

Dokument1.pdf (3.232 KB) (md5sum: bab9c8b7099dbe60d0da0951a802b429)

Kurzfassung in Englisch

In this thesis a particle based numerical approach, the Dissipative Particle Dynamics (DPD) method, is investigated and developed towards a multi-purpose toolbox for simulating microfluidic devices. In particular, the applicability of this simulation method for studying capillarity and the flow of suspensions in micro channels is analyzed.

As an essential prerequisite for studying interface dominated phenomena such as wetting, a novel conceptually simple and versatilely applicable wall model is presented. Here, the solid phase is represented by particles which are pinned by harmonic forces to fixed sites. This maintains a specified solid structure of arbitrary shape in contrast to existing wall models in the literature, which are mostly applicable only for specialized geometries. Furthermore, in contrast to wall models using frozen particle arrangements a certain thermal roughness is retained, which establishes a smooth density profile at the solid-liquid interface, avoiding artifacts such as particle layering or temperature oscillations by more than 90%. The Navier-slip behavior of the wall, which is consistent with the behavior of solid-liquid interfaces found by atomistic simulations (MD) is an essential prerequisite for studying interface dominated phenomena such as wetting with a sufficient degree of accuracy.

Based on this model for a solid-liquid interface, the effect of wetting on solid substrates often encountered in microfluidic devices is elucidated. The behavior is investigated under three conditions: (i) static wetting, (ii) dynamic stationary wetting and (iii) free transient capillary wetting, which covers a large range of possible scenarios emerging in microfluidic devices. The adjustable wetting under static conditions is in agreement with the theoretical prediction, i.e. the law of Young-Dupré. The behavior of the dynamic contact angle is investigated under forced wetting and compared to the hydrodynamic models of Cox and Eggers. A quantitative agreement between the DPD simulations and theory for teta_dyn<90° of better than 3% for both wetting regimes: (i) complete wetting (teta_stat=0°) and (ii) partial wetting (0°<teta_stat<90°), shows that the DPD method can indeed successfully be applied for studying moving capillary menisci without the problem of grid dependency emerging in CFD simulations. Furthermore, as a benchmark case, the free capillary imbibition into a slit out of a finite reservoir is compared with an excellent quantitative agreement (better than 1%) to the presented analytical solution.

In the second part of this thesis, the problem of simulating suspensions is addressed. The modelling of compound objects is based on simple harmonic forces that hold the colloid particles in shape. The characteristics of this simple numerical approach is investigated regarding: (i) the rheology of the suspensions and (ii) the drag force as an integral value. The results for the drag force are in good quantitative agreement with the experimental behavior found for Re > 1 and also the analytical law valid for Re << 1, which forms the backbone for studying particles and their hydrodynamic interaction. Finally, the rheology of the suspensions is investigated and compared to analytical expressions of Einstein, Batchelor and Krieger. While for small volume fractions phi<0.1 of the suspended particles, the law of Einstein is confirmed, the refined law of Batchelor is confirmed up to phi<0.5. As a last step, a simplified DPD model for human blood is investigated. The rheology of blood found empirically is in good quantitative agreement with the DPD simulations up to a hematocrit value of H<0.5, which is in the range of the upper physiological limit.

Based on this model for suspensions, a novel passive hydrodynamic cell sorter for leukocyte enrichment has been designed with the aid of DPD simulations. Furthermore, a detailed analysis of the forces acting on the cells in the flow is presented. Two principal designs of the cell sorter are presented and investigated experimentally as well as numerically. The DPD simulations show excellent qualitative agreement of the flow behavior of the cells compared to the experiments. Experimentally, design 1 approximately sorts 87% of the erythrocytes to the designated outlet, while 100% of the leukocytes are sorted to the designated outlet indicating that the function of the chip is limited by the flow behavior of the erythrocytes. For design 2 only approximately 69% are collected at the designated outlet. This behavior confirms the flow behavior found in the DPD simulations as well as the theoretical model which favors design 1, since the Magnus force which tends to deteriorate the working principle of the device is partly compensated by the emerging centrifugal forces at the branching point of the cell sorter. This is in contrast to design 2, where both forces act into the same direction.


Kurzfassung in Deutsch

In dieser Arbeit wurde eine partikelbasierte Simulationsmethode, die Dissipative Partikel Dynamik (DPD), untersucht und zu einem vielseitig einsetzbaren Werkzeug zur Modellierung mikrofluidischer Bauteile weiterentwickelt. Insbesondere wurde die Anwendbarkeit dieser Simulationsmethode für wichtige Felder der Mikrofluidik wie die kapillare Benetzung und die Strömung partikelbehafteter Suspensionen in Mikrokanälen genauer untersucht.

Als wesentliche Voraussetzung, um oberflächendominierte Effekte wie beispielsweise die kapillare Benetzung sinnvoll untersuchen zu können, wurde ein neues Grenzflächenmodell (Flüssigkeit/Festkörper) entwickelt. Hierbei wird der Festkörper durch Dissipative Partikel dargestellt, die durch harmonische Kräfte um die Gleichgewichtslage oszillieren. Durch dieses Konzept können im Vergleich zu vielen anderen Wandkonzepten, die bisher in der DPD eingesetzt werden beliebig komplexe Geometrien dargestellt werden. Da die Partikel nicht ortsfest sind, werden zudem Artefakte wie z.B. Dichteoszillationen um mehr als 90% verringert. Das Wandmodell zeigt zudem einen Navier-Schlupf, der analog zu dem durch Molekulardynamik-Simulationen gezeigten Verhalten ist und eine wesentliche Voraussetzung für die Untersuchung von Benetzungsphänomenen darstellt.

Basierend auf diesem Modell für Festkörper/Flüssigkeits-Grenzflächen wird das Benetzungsverhalten, das in vielen mikrofluidischen Bauteilen als treibende Kraft eingesetzt wird, näher untersucht. Hierbei wird im wesentlichen auf drei Bereiche abgezielt: (i) statische Kontaktwinkel, (ii) dynamische Kontaktwinkel und (iii) die freie kapillare Benetzung, welche in Summe eine Vielzahl möglicher Szenarios, die in mikrofluidischen Bauteilen auftreten können, abdeckt. Hierbei ergibt sich für den durch Simulationsparameter einstellbaren statischen Kontaktwinkel eine gute Übereinstimmung mit der Theorie, d.h. dem Gesetz von Young-Dupré. Das Verhalten des dynamischen Kontaktwinkels für teta_dyn<90° zeigt eine Übereinstimmung von besser als 3% sowohl für komplette Benetzung (teta_stat=0°) als auch für partielle Benetzung (0°<teta_stat <90°). Dies zeigt, dass die DPD-Methode erfolgreich angewendet werden kann, um fortschreitende kapillare Menisken zu simulieren, ohne hierbei wie beispielsweise CFD-Verfahren stark von der Diskretisierung abhängig zu sein. Des weiteren wird die instationäre kapillare Befüllung einer Pore untersucht, wie sie in realen mikrofluidischen Bauteilen auftritt. Die Übereinstimmung der DPD-Simulation zur gezeigten analytischen Beschreibung ist hierbei besser als 1%.

Im zweiten Teil dieser Arbeit wird die Fragestellung wie man partikelbehaftete Supensionen mit der DPD-Methode effizient modellieren kann angegangen. Das hierbei verwendete Modell basiert auf der Idee, dass Kolloidpartikel durch Cluster von DPD Partikeln dargestellt werden können. Hierbei werden benachbarte Dissipative Partikel durch harmonische Kräfte zusammengehalten. Die Eigenschaften dieser Modellsuspension wird im Hinblick auf: (i) die Rheologie und (ii) die viskose Reibungskraft untersucht. Die Reibungskraft zeigt hierbei für Re > 1 eine gute Übereinstimmung mit dem experimentellen Verhalten, sowie für Re << 1 mit der in diesem Bereich gültigen Theorie. Der Vergleich des rheologischen Verhaltens mit der Theorie von Einstein, Batchelor und Krieger zeigt, dass für kleine Volumenanteile der Feststoffphase phi <0.1 das Modell von Einstein bestätigt, während für größere Volumenanteile der Feststoffphase bis phi<0.5 das verbesserte Modell von Batchelor bestätigt wird. Als letzter Schritt wird ein vereinfachtes DPD-Modell für Blut untersucht. Der Vergleich der Rheologie des DPD-Modells mit dem empirisch gezeigten Verhalten des Blutes zeigt hierbei ein gute Übereinstimmung bis zu einem Hämatokritwert von H<0.5.

Basierend auf dem oben beschriebenen Modell wurde mit unterstützenden Simulationen ein neuartiger Chip zur Anreicherung von menschlichen Leukozyten entwickelt. Zwei verschiedene Layouts werden vorgestellt, die sowohl experimentell als auch mittels Simulation untersucht werden. Hierbei zeigt sich eine hohe Korrelation zwischen dem in der Simulation gezeigten Strömungsverhalten der Zellen und den entsprechenden Experimenten. Im Experiment zeigt sich, dass bei Design 1 etwa 87% der Erythrozyten zum gewünschten Auslass strömen, während 100% der Leukozyten zum gewünschte Auslass strömen, womit die Effizienz der Trennung durch das Strömungsverhalten der Erythrozyten limitiert wird. Bei Design 2 hingegen strömen lediglich 69% der Erythrozyten in den gewünschten Auslass. Dies bestätigt das in dieser Arbeit entwickelte theoretische Modell welches besagt, dass in Design 1 die auftretende Magnuskraft und die an der Aufzweigung der Mikrokanäle auftretende Zentrifugalkraft einander entgegenwirken und sich somit teilweise aufheben. Bei Design 2 hingegen wirken beide hin zur Kanalmitte, d.h. verschlechternd.


SWD-Schlagwörter: Numerische Strömungssimulation , Computersimulation , Suspension , Kapillarströmung
Freie Schlagwörter (englisch): numerical simulation of flows, computer simulation, suspension, capillary flow
Institut: Institut für Mikrosystemtechnik
Fakultät: Technische Fakultät (bisher: Fak. f. Angew. Wiss.)
DDC-Sachgruppe: Informatik
Dokumentart: Dissertation
Erstgutachter: Zengerle, Roland (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 23.07.2009
Erstellungsjahr: 2009
Publikationsdatum: 15.01.2010
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