双层Y字形SAR微混合器的数值模拟与实验研究

发布时间：2020-11-11 20:37

　　 微流控芯片是一种在微尺度空间对流体进行操控为主要特征的科学技术,具有反应迅速、通量高、过程可控、试剂消耗少等特点,作为微流控系统的重要组成部分,微混合器在化学合成、生化分析、蛋白质折叠、核酸测序或合成等领域中有着广泛应用。目前,微混合器的设计与开发普遍存在低雷诺数下混合效果不足以及可靠性差等问题,对此,本文提出一种双层Y字形分裂重组(Splitting And Recombination,SAR)微混合器,该微混合器混合性能优异、压降损失低、样机性能一致性及可靠性较好,利用数值模拟和实验测试的方法验证了其优异混合性能,并利用银纳米粒子合成实验证实了实际应用效果。本文具体研究内容如下:(1)对微混合器相关理论基础及设计原理进行了概述。首先,阐述微尺度下流体流动的基本特性,进而将有限元技术与微积分思想进行了对比分析,宏观把控了有限元分析内容;然后,对微流体混合控制方程进行了分析,并研究了微混合器混合原理,为后期分析微混合器性能打下基础;最后,根据对微混合器的性能要求—即压降和混合度值,建立了相应的优化目标函数。(2)提出了双层Y字形SAR微混合器基本结构,并借助于COMSOL有限元分析软件,全面优化和分析了微混合器的结构与性能。首先,提出了微混合器几何模型,并利用前期建立的目标函数对其结构参数进行了优化分析,确定了微混合器最佳结构参数;然后,继续利用有限元软件分析了雷诺数对微混合器混合性能的影响;最后,通过将其与国内外经典微混合器进行性能上的对比分析,全面分析了双层Y字形SAR微混合器的优异混合性能。(3)利用本文设计的双层Y字形SAR微混合器,制作了样机,对其进行了微混合性能实验测试,并利用银纳米粒子合成实验对其实际应用效果进行了分析与验证。首先,根据前面优化的微混合器结构参数及特点,合理地选择了微混合器样机材料及加工方法,并对样机进行了设计和制作;然后,基于制得的微混合器样机,利用百里香酚酞和氢氧化钠试剂,对微混合器基本混合性能进行了实验,可视化表征了微混合器性能,并与前期仿真结果进行了定性对比分析,证明了仿真结果的正确性以及微混合器性能的优良性;最后,利用硝酸银和无水葡萄糖等试剂,进行了微混合器在化学合成领域的应用实验,通过对试剂浓度、保护剂使用以及微混合器入口流量等参数的调节,成功制备出形貌、均一性及单分散性良好的银纳米粒子,验证了微混合器在化学合成领域的应用价值。
【学位单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TN492
【部分图文】：

利用银纳米粒子合成实验对其实际应用展开分性较好的银纳米粒子。该微混合器能够实现低 R可靠性好、效率高，在化学合成和生化分析等领器概述技术简介认为是反应物接触的必经过程，微混合技术作为化学反应和生化分析等领域中应用广泛。根据主动式和被动式两大类，其具体内容可进一步细2.2 和 1.2.3 中分别对主动式微混合器和被动式微述。

但主动式微混合器需有外加场能或要将驱动部件集成在微混合系统中，因而存在结构复杂、加工困难、成本过高以及样机整体性能不易稳定等问题。虽然主动式微混合器存在一些不足，但其在特定场合或特定功能要求下依然具备广阔的应用，近年来，国内外诸多学者对此展开了研究。1. 外加驱动结构依靠外加驱动结构的微混合器较为常见，其主要以集成微泵、微阀为主，通过微泵、微阀的作用使得两相流体混合，如集成压电微泵或者气动阀在微混合系统中，通过对压电微泵施加适当电信号，使微泵对流体产生驱动，或者通过对气动微阀施加压力以实现对微流道中流体的驱动。2014 年张建辉等人[42]提出了一种集混合与输送于一体的多级 Y 型流管无阀压电泵，其结构如图 1.2（a）所示。该结构通过将无阀压电泵的进出口设计成多组 Y 字形结构，从而增加了无阀压电泵的进出口流阻差，因其多级 Y 型结构，也可应用于微流体的混合。

图 1.6 平面正弦型通道 SAR 微混合器17 年陈雪叶等人[51,52]分别提出了具有 E 字形和 F 形混合单元的平器，并对微混合器在Re=0.5-80范围内的混合性能进行了数值和实明了这两种微混合器可实现两相流体的分裂和重组，且 E 字形和处可以使流体在垂直于运动方向产生涡旋效果，从而提升了微混合，同时也证明了提出的微混合器相比传统 T 型微混合器具有很大如图 1.7（a）和（b）所示。（a） （b）图 1.7 具有 E 字形和 F 形混合单元的平面 SAR 微混合器
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本文编号：2879710