D型分离重组式微混合器特性研究

发布时间：2020-07-26 14:56

【摘要】：随着微流体系统的迅猛发展,微混合器作为微机电系统的重要组成部分和微流控芯片的前处理装置得到了越来越多的关注和应用。根据是否添加额外动力源,微混合器可分为主动式和被动式两类。相对于主动式微混合器,被动式微混合器由于不需要附加额外动力源,只需通过改变微通道结构形状来形成混沌对流,即可提高流体的混合效率,因此被动式微混合器是目前研究的主要方向。而通过优化微通道结构改变混合流体的流动状态是提高混合效率的最佳选择。为进一步提高微流控系统中微混合器的混合效率,基于非对称分离重组和多方向涡系理论,本文提出了一种D型非对称分离重组式微混合器。通过计算流体力学软件ANSYS CFX研究了在不同雷诺数(Re=1~80)下,流道几何结构参数以及混合单元个数对微混合器内流体流动特性和混合效率的影响。结果表明,该微混合器的最佳混合单元数为6个,渐缩管的最优方向为顺着主通道混合流体流动的相反方向。同时,特殊的D型混合流道使流体在混合过程中形成扩展涡和迪恩(Dean)涡系,并在流体的汇合处发生剧烈碰撞,实现涡系的叠加和强化。对于不同的D型流道宽度比而言,当Re30时,宽度比C=1.2时获得最佳混合效率;当30Re≤40时,三种微混合器的混合效率差别不大;当Re40时,由于在C=1的微混合器内产生的二次流最为明显,所以其混合效率最高为96%左右。通过微机电加工工艺,以PDMS和Pyrex玻璃作为加工材料制作微混合器,其中PDMS为流道,Pyrex玻璃为盖板。同时搭建试验台,对非对称D型分离重组式微混合器进行混合实验。利用CCD相机拍摄混合稳定状态下的照片并与数值模拟状态下的混合状态图进行分析和对照。研究表明,D型混合流道内的混合流体之间的碰撞随着Re数的增加而越发剧烈,且其混合状态与数值模拟所呈现的状态有着良好的相似性。同时,通过实验所测量得到的微混合器混合效率和压降与数值模拟结果保持良好的一致性,从而进一步证明了本文所采用的数值模拟方法的准确性。
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH69
【图文】：

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D 型分离重组式微混合器的特性研究混合器的尺寸较小，混合通常以层流的方式进行，混合效率一直处于较要大量的研究和工作，从而改善并提高微混合器的混合效率和实际的使用流道结构从而改变混合流体的流动方式，加强对流强度并提高混合流体改善微混合器效率最简便有效的方法之一。

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江苏大学硕士学位论文板或阻块是一种能使微流体产生混沌对流且相对容易实现的方法，如图计了一种内置带有凹槽的菱形状阻块的微混合器，同时主要分析了其在雷的混合性能。微流体在混合的过程中，由于微流道内阻块的阻碍作用，体的流动方向，同时与未受影响的微流体发生扰动碰撞，从而产生混沌接触面积。由于此类微混合器的平面式的设计方式，同时阻块的高度与因此相对于其他被动式微混合器，这种微混合器的加工更为简单，并且微流控芯片当中。

微混合器,人字形

图 1.3 交替人字形微混合器[20]Figure 1.3 The micromixer with different grooves[20]过模拟计算和实验的对照分析，该微混合器内的混合流体在 Re=0~100 范围内均好的混合效果，同时微流道内没有任何阻块和挡板结构，因此相同雷诺数下的压很小。nsari 等[21]基于混沌对流原理，设计了一种以 L 型结构流道为混合单元并组合在一曲折式微混合器，如图 1.4。由于 L 形混合单元末端的垂直弯曲结构，迫使混合流向流动并最终形成漩涡，有效地提高了微混合器的混合性能。虽然该类型微混合获得较高的混合效率，但 3D 式的结构使得加工变得相对于上两种混沌对流式微加困难。而且由于该类微混合器的微流道结构复杂，不断迫使混合流体改变流动此混合流体的压力损失较多，且随着 Re 的增加而不断增大。同时该类微混合器的推动功，不利于实际应用。因此，对于 3D 结构的混沌对流式微混合器还有待的研究。

【参考文献】