The unsteady behavior of a 2D circular elastic capsule is numerically investigated in the three viscous shear flows. The novel idea from the numerical results is verified by an experimental investigation.
An Immersed Boundary Method (IBM) has been used to solve the dynamic fluid-structure interaction of the capsule. Computation is carried out in finite parameter ranges where the Reynolds number is Re=0.05~40, and the dimensionless shear rate is G=0.0005~0.05 which is the ratio of the external viscous shear stress to the resistant elastic tensions of the membrane. For the simple shear flow, the inertia effect on the transient behavior of the capsule is studied. For the pulsatile shear flow, two values of the pulsatile period, $T_f$ =1 and $T_f$ =5, are considered for the quasi-steady capsule mechanics. The capsule shows the cyclic structural response that includes subharmonics as the Reynolds number is elevated to Re=10 and 40. The capsule dynamic response includes a phase lag, which is a function of the dimensionless shear rate, as well as the Reynolds number and pulsatile period. The capsule flowing in the Couette flow shows lateral migration due to the transient lift force that is higher for lower G and higher Re. It is found that, when capsules with diverse elasticity are dispersed along the velocity gradient, the capsule with hard membrane has more lift than the one with soft membrane. This numerical results show a application for capsule separation.
Experimentally, the difference lateral equilibrium position of a capsule with elasticity is investigated in the Poiseuille flow. Two group of normal hepatocytes (THLE-2) cells with different elasticity are used a model of the elastic capsule. The statistical analysis of the experimental results indicates that the distributions of THLE-2 cells with lower elasticity are shifted to the channel center, relatively higher elasticity. The results are also confirmed and validated by numerical simulations in this study. The present study numerically and experimentally shows that the elasticity in lateral equilibrium position has the potential to enable elasticity- or deformability-based cell separation.
이차원 탄성 캡슐의 비정상 움직임을 세 종류의 점성 전단 유동에서 수치적으로 계산하였으며 실험으로 구현하였다. 가상경계방법(IBM)을 사용하여 캡슐의 동적 유체-구조 상호작용에 대해 다양한 유동에서 캡슐 막의 탄성도를 조절하며 해석하였다. 심플전단유동에서 시간에 따른 캡슐의 비정상 상태에서 정상상태로 변화하는 과정과 관성효과를 살펴 보았으며, 맥동전단유동에서 유체에 의해 야기되는 캡슐 구조의 주기적인 변화와 진동, 캡슐 막의 탄성도에 따른 시간지연 등을 보았다. 쿠에트유동에서 캡슐이 탄성도에 따른 흐름을 봄으로써 탄성도에 따라 양력이 다르게 발생하고, 이로 인해 캡슐들이 채널에서 서로 다른 평형위치에 도달함을 수치해석을 통해 보였다. 이 수치해석 결과를 바탕으로 물체의 탄성도에 따른 채널에서의 평형위치는 캡슐이나 세포의 분리기에 이용 될 수 있다는 아이디어를 제시하였다. 이 새로운 아이디어를 실험으로 증명하기 위해 정상 간세포를 화학적으로 탄성도를 조절하여 마이크로 채널에서 실험하였으며, 통계적인 분석 결과 수치해석과 같이 채널에서 셀의 탄성도에 따른 평형위치가 다르게 존재함을 보였다.
