This paper reports experimental studies of inertia fluid behaviors in contraction-expansion (C-E) array microchannels: flow separation and Dean flow. We fabricated the C-E array microchannels with the shape of rectangular and semicircular structure by using poly(dimethylsiloxane) (PDMS) molding technique. In order to observe the flow separation, we introduced 1 μm fluorescent polystyrene beads into the C-E array microchannels and captured fluorescent images of the bead behaviors. The oncoming flow separates at the exit corner of the contraction channel region and reattaches to the wall downstream generating re-circulation flows adjacent to the wall. Vortices are formed by the re-circulation flows in the C-E array microchannels when the Reynolds number (Re) of a flow exceeds a certain critical value, and a size of the vortices is expanded as the increase of Re. We characterized the inertia fluid behaviors by flow separation in the C-E array microchannels with different expansion channel lengths, contraction channel widths and channel structures. For investigating the Dean flow, two fluids of different types (FITC solution and deionized water) were injected into the C-E array microchannels. When the inertia fluid flows through the contraction regions in the C-E array microchannels, it is influenced by a centrifugal force as if the fluid travels through curvilinear channels. The centrifugal force accelerates the fluid outwards from a wall and finally causes the Dean flows. Vortices by the Dean flows were observed in the contraction regions of the C-E array channels and the vortices were influenced by change of Re and channel structures. Additionally, numerical simulations are performed to predict the inertia fluid behaviors in the C-E array microchannels and to estimate flow characteristics such as axial, transverse velocities, and pressure distributions.
본 연구는 확장축소 마이크로 채널(contraction-expansion array microchannel) 내에서 미세관성유체(inertia flows)의 특성 연구한 것이다. 랩온어 칩 제작을 위한 마이크로플루이딕 기술은 낮은 레이놀즈 수(Reynolds number)의 상황에서 유체의 특성을 이용하여, 생물학적 시료의 전처리 과정 (분리, 정제, 혼합 등)을 구현하지만, 높은 처리량을 가질 수 있는 높은 레이놀즈 수의 상황에서 마이크로 채널 내 유체특성에 관한 연구가 부족하다. 본 연구에서는 높은 레이놀즈 수 상황인, 높은 유속으로 유체를 마이크로 채널에 흘려주게 되면, 점성력 대비 관성력 효과가 지배적으로 작용하게 되는 미세관성유체(inertia flows)의 특성을 마이크로채널의 응용에 있어 가장 기본이 되는 확장축소(Contraction-Expansion) 구조에서 규명하고, 더 나아가 이를 활용한 높은 처리량을 지닌 고속 미세유체 혼합기를 개발한다. 미세관성유체가 확장축소 마이크로 채널을 통과할 때 유동분리(flow separation)에 의한 와류(vortex)와 딘 플로우(Dean flow)에 의한 와류가 발생하게 되며, 이들 와류를 이용함으로써 주입된 유체를 고속으로 혼합시킬 수 있게 된다. 본 연구에서는 레이놀즈 수 45.2에서 85%이상의 유체 혼합효율을 달성하였다.
