微尺度液体流动传质与涡系混合技术研究

发布时间：2024-02-23 20:51

　　微混合器作为微流控芯片的重要分支,凭借其独特的优势,在医学、生物学、化学等领域已取得了巨大的发展并得到了广泛的应用。受特征尺度变化影响,微尺度液体在流动与传质过程中出现了许多新的问题,深入了解微尺度液体流动传质的变化规律对于微流器件的发展至关重要。本文主要对微通道内液体在壁面粗糙度效应作用下的流动与传质机理进行了研究,获得了粗糙度效应下的液体流动及传质规律,并以发展结构简单、能在较大Re数范围保持高效稳定混合性能的液-液型被动微混合器为出发点,基于流体力学中的康达效应构造出了一种新型涡旋式被动微混合器,并应用该微混合器进行了相关的实验研究。主要研究工作包括:(1)为研究微通道壁面粗糙度对液体流动和传质特性的影响规律,在随机排布准则的基础上利用典型粗糙元构建了二维随机粗糙微通道,通过有限元分析方法研究了微通道壁面粗糙元参数变化对微通道内液体流速、压力梯度、流动阻力、传质扩散机理等的影响规律。研究表明,微通道近壁面粗糙度的存在对流体的流场有显著影响,近壁面流体存在明显的涡流和流动分离现象;随机粗糙微通道内各位置的压降和流动阻力均随粗糙元相对高度的增加呈近似线性增长,且临近出口位置增幅较为明...

【文章页数】：86 页

【学位级别】：硕士

【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
符号说明
第1章 绪论
    1.1 课题背景与意义
    1.2 微尺度下液体流动特性的研究进展
        1.2.1 常规尺度下的液体流动特性
        1.2.2 微尺度下液体流动特性的研究现状
            1.2.2.1 连续性假设适用性
            1.2.2.2 壁面粗糙度效应
            1.2.2.3 边界滑移效应
    1.3 微尺度下液体传质特性的研究进展
        1.3.1 常规尺度下的液体混合特性
        1.3.2 微尺度下液体混合特性的研究现状
        1.3.3 被动式微混合器结构特性
    1.4 微混合器混合性能与评价
    1.5 本课题主要研究内容
第2章 壁面粗糙度对微尺度液体流动与传质特性的影响
    2.1 引言
    2.2 微流体流动模型
        2.2.1 微流体压差流动机理
        2.2.2 微流体扩散传质机理
        2.2.3 边界条件
    2.3 壁面随机粗糙度的表征
        2.3.1 常用壁面粗糙度构建方法
        2.3.2 粗糙度模型构建
        2.3.3 数值有效性检验
    2.4 壁面粗糙度对微通道内流动特性的影响
        2.4.1 粗糙度对流场的影响
        2.4.2 粗糙度对压降的影响
        2.4.3 粗糙度对流阻的影响
    2.5 壁面粗糙度对微通道内传质特性的影响
        2.5.1 粗糙元参数对浓度分布的影响
        2.5.2 不同雷诺数条件下粗糙度对液体传质的影响
    2.6 本章小结
第3章 涡旋式被动微混合器的结构设计与混合性能
    3.1 引言
    3.2 康达效应在微流体混合中的应用
    3.3 涡旋式被动微混合器通道结构设计
    3.4 微通道深度H优化
    3.5 微混合单元圆弧空腔曲径比K值优化
    3.6 本章小结
第4章 涡旋式被动微混合器实验研究
    4.1 引言
    4.2 微混合器的制作
        4.2.1 微混合器的制作
        4.2.2 实验原料
        4.2.3 实验平台和设备
    4.3 实验结果与讨论
        4.3.1 涡旋式被动微混合器中的流动机理验证
        4.3.2 涡旋式被动微混合器中的混合机理验证
        4.3.3 圆弧空腔曲径比K对混合性能的影响规律
        4.3.4 混合性能评价
    4.4 本章小结
第5章 结论与展望
    5.1 结论
    5.2 创新点
    5.3 展望
参考文献
致谢
攻读学位期间参加的科研项目和成果



本文编号：3907952