基于混沌混合的微混合器的数值模拟及实验研究

发布时间：2020-03-25 03:55

【摘要】：随着MEMS的高速发展,微流控系统高度微型化、集成化是大势所趋。作为生物、化学、医学、流体、电子、材料、机械等交叉学科而兴起的研究热点,微混合器的发展越来越受到国内外高校和企业研究者的关注。本文以计算流体力学、微流体力学以及混沌混合理论为理论基础,设计三种分层分合式被动微混合器和一种进口速度周期波动的主动微混合器,通过数值模拟和实验研究的方法对其混合机理、混合效果进行研究分析,具体研究内容及结论如下:首先,本文综述了国内外学者对主动式微混合器和被动式微混合器的研究现状,分析各种微混合器结构的优劣、混合效果的好坏以及混合速率的快慢。总结发现:目前的微混合器主要是针对较高雷诺数(10~100以上)不同流体之间混合;针对较低雷诺数(0.01~10)的微混合器由于只依赖分子的扩散作用而难以达到较好的混合效果,由此提出本文研究混沌对流微混合器方法、目的和意义。其次,在介绍流体力学基本规律的基础上,引出微流体力学的力学特性以及常用假设方法;详细分析了微通道内不同流体的混合机理、混沌变换理论以及混合效果的评判标准。从微流体混合理论出发,提出了低雷诺下提高混合效果的有效方法,即通过增大不同流体之间的接触面积和增强微流体的对流作用来提高混合效果。接着,根据混沌变换理论,设计了三种分层分合式被动混合器,即Smale、Helical和Baker微混合器,并对其混合机理、影响参数、混合效果和压力降进行了数值模拟和对比分析,结果发现在较低雷诺数下Baker混合效果最好,Smale次之,Helical最差。另外,还提出了一种进口速度正弦周期波动的主动式缩放型微混合器,通过Fluent-UDF二次开发程序对其混合效果的各种影响参数进行数值模拟分析,得出在相位差为180°、速度比为2、St数在0.2~0.4时混合效果最好。最后,对微混合器模型进行了实验研究。通过搭建出的实验平台,对制作的被动式Smale微混合器进行微混合实验,并将实验结果与数值模拟结果进行定性的对比分析,结果显示数值模拟与实验结果吻合较好。
【图文】：

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杭州电子科技大学硕士学位论文2 微混合器的研究现状2.1 微混合器简介及分类所谓微混合器（Micromixer），通俗的来讲就是能够把两种或者多种流体充分混合均匀的一种微流控器件。一般微混合器由进口、中间混合单元和出成，进口数量可以根据需要混合的流体种类来设计，最常见的有两个进口出口和三个进口、一个出口的微混合器。微流体混合就是指把微混合器通道不同流体彼此渗透到对方流体的内部，最终实现微尺度下流体高效混合的目23]。其基本混合原理如图 1.1 所示。

微混合器

置等集成在微系统内，这样会使得微混合器的结构变得非常复杂，，最终加工起来难度较高，成本较大。另一方面，外界能量场驱动源装置的结构部件一般较大易发热，在一定程度上程度上会影响样品液与检测液的本质特性，最终对实验结果造成较大的影响，降低了器件的可靠性。被动式微混合器要比主动式微混合器更容易实现流体的混合，因为它不像主动式微混合器那样需要有外部动力源来驱动混合。因其结构简单、加工方便、可操作性好、可靠性高，所以应用前景更加广泛。被动式微混合器一般通过改变微通道的结构、组成网络、设置支流、通道内部设置阻碍物等方法来打乱微流体原本的稳定流动状态，从而增加不同流体之间的接触面积、增强流体的混沌对流作用，达到提高混合效果的目的。被动式混合器的弱点在于有的微通道结构特别复杂，加工难度较高，而且容易堵塞通道，降低了使用可靠性；有的要经过很长的混合通道才能实现不同流体的完全混合，增加了器件体积和加工成本。其具体分类如图 1.2 所示。
【学位授予单位】：杭州电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH-39

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