Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4325
Main Title: Control of inertial microfluidics
Translated Title: Kontrolle inertialer Mikrofluidik
Author(s): Prohm, Christopher
Advisor(s): Stark, Holger
Referee(s): Netz, Roland
Stark, Holger
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät II - Mathematik und Naturwissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Das junge Feld der inertialen Mikrofluidik untersucht die Trägheit von Flüssigkeiten, um damit die Effizienz mikrofluidischer Apparate zu erhöhen. Der Anwendungsbereich der inertialen Mikrofluidik ist enorm gewachsen, nachdem die ersten Apparate in den frühen 2000ern demonstriert wurden, und umfasst heute unterschiedlichste Aufgaben. Sie reichen von dem Zählen bestimmter Zelltypen, dem Testen mechanischer Eigenschaften von Zellen bis zu dem Trennen von Teilchen nach ihrer Größe. Hierbei zeigen Teilchen im Fluss eine selbstorganisierte Ordnung vermittelt von inertialen Auftriebskräften. Diese Arbeit untersucht wie die inertiale Mikrofluidik durch die Anwendung externer Kontrolle profitieren kann. Dabei betrachten wir insbesondere Rückkopplungskontrolle und die Methode der optimalen Kontrolle. Zuerst untersuchen wir die Eigenschaften inertialer Fokussierung mithilfe zweier mesoskopischer Simulationsmethoden, der Vielteilchenstoßdynamik und der Gitter-Boltzmann-Methode. Wir konzentrieren uns hierbei auf das Wechselspiel zwischen Kanalgeometrie und den Profilen inertialer Auftriebskräfte. In Kanälen mit rundem Querschnitt sammeln sich die Teilchen auf dem Segré-Silberberg Ring. Die verringerte Symmetrie rechteckiger Querschnitte zwingt die Teilchen auf diskrete Gleichgewichtspositionen. Diese werden stark in Lage und Stabilität beeinflusst von Teilchengröße und Flussgeschwindigkeit. Für rechteckige Kanäle mit stark nicht quadratischem Querschnitt beobachten wir, wie das System effektiv zweidimensional wird. Des Weiteren untersuchen wir die Kontrolle inertialer Kraftprofile mittels elektromagnetischer Felder. Zuerst bremsen wir die Teilchen durch ein elektrisches Feld, das gegen den Fluss gerichtet ist. Dieses Feld reduziert die inertiale Auftriebskraft und schiebt die Gleichgewichtsposition näher zu der Kanalmitte. Damit sind wir in der Lage die Teilchen zu kontrollieren und können in Kombination mit einen hysteretischen Rückkopplungsgesetz den Teilchendurchsatz erhöhen. Zweitens erlauben magnetische Felder es zusätzliches Drehmoment auszuüben und die Winkelgeschwindigkeit der Teilchen zu beeinflussen. Dadurch verändern sie ebenfalls die inertialen Auftriebskräften. Wenn wir die Winkelgeschwindigkeit der Teilchen kontrollieren, können wir sie auf eine wohldefinierte Position fokussieren, deren Lage die gewählte Winkelgeschwindigkeit bestimmt. Zuletzt untersuchen wie die Anwendungen der Theorie der optimalen Kontrolle, um damit Profile von Kontrollkräften in optimaler Weise zu gestalten. Wir entwickeln den notwendigen Formalismus und beschreiben die numerische Methode um Profile optimaler Kontrolle zu bestimmen. Wir zeigen, dass die Kontrollprofile in der Lage sind Teilchen zu gewünschten Positionen am Kanalende zu steuern. Darüber hinaus demonstrieren wir die Trennung verschiedener Teilchen anhand ihrer Größe. Dabei erhöht die zusätzliche Kontrolle die Effizienz verglichen mit passiven Systemen und ist extrem robust gegenüber Störungen.
The young field of inertial microfluidics investigates fluid inertia to enhance the performance of microfluidic devices. The scope of inertial microfluidics expanded rapidly to cover a diverse set of applications, after the first devices were proposed in the early 2000s. Recently, devices have been demonstrated for counting, cells, testing the mechanical properties of cells, and separating particles by size. Devices in inertial microfluidics rely on a self-organized order between particles induced by inertial lift forces. In this thesis, we investigate how inertial microfluidics benefits from the application of external control. Here, we place a special emphasis on feedback control and optimal control theory. In contrast to open-loop control, feedback control does not use a fixed control law, but adapts it to the current system state. Therefore, feedback control is typically less sensitive to noise. Optimal control theory offers a mathematical way to design (feedback) control laws that are optimal with respect to a given performance measure. First, we use mesoscopic simulations methods, specifically multi-particle collision dynamics and the lattice Boltzmann method, to investigate inertial focusing. In particular, we concentrate on how the channel geometry influences the inertial lift force profiles. In channels with circular cross sections, particles collect on the Segré-Silberberg annulus. In channels with rectangular cross sections, the reduced symmetry restricts the particles to a discrete set of equilibrium positions. Particle size and flow speed strongly influence the position and stability of the equilibrium positions. The system becomes effectively two-dimensional if the height of the channel is large compared to its width. We further investigate the control of the inertial lift forces profiles using external electromagnetic fields. First, we slow particles down by an external electric field directed against the flow velocity. The field reduces the inertial lift forces and moves the equilibrium positions closer to the channel center. Thereby, we are able to control the particle motion. In combination with an hysteretic feedback law, axial control forces increase the particle throughput. Second, magnetic fields exert additional torques on the particles and change their angular velocity. As a result, they too change the inertial lift force profiles. When we control the angular velocity of the particles, we are able to focus them onto a single equilibrium position controlled by the chosen angular velocity. Finally, we investigate optimal control theory for designing optimal control force profiles for particle steering and separation. We develop the necessary formalism and describe the numerical solution technique to determine the optimal control force. We show that the designed control force profiles are able to steer single particles into a target interval at the channel outlet. Furthermore, we demonstrate how to separate particles by size. Here, the external control force strongly increases the sensitivity compared to similar passive devices. Importantly, the optimal control force profiles are very robust against imperfections.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus4-61710
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/4622
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4325
Exam Date: 20-Oct-2014
Issue Date: 20-Jan-2015
Date Available: 20-Jan-2015
DDC Class: 532 Mechanik der Fluide; Mechanik der Flüssigkeiten
Subject(s): Inertiale-Mikrofluidik
mesoskopische-Simulationen
Teilchen-Trennung
Kontrol-Theorie
Inertial-microfluidics
mesoscopic-simulations
particle-separation
control-theory
Usage rights: Terms of German Copyright Law
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