内置阻块T型微混合器内流动与混合特性研究

发布时间：2017-04-08 10:09

  本文关键词：内置阻块T型微混合器内流动与混合特性研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：作为微流控芯片实验室的重要前处理装置,微流体混合器在芯片实验室中占有重要地位。使用微混合器不仅可以大大降低珍贵试剂的消耗量,还能够极大地提高分析检测速度,而且精度高,安全可靠,为高端分析检测技术的普及创造了极为有利的条件。如何快速有效的实现微流体混合,具有重要的研究意义。本文研究了内置阻块T型微混合器的内部流动机理及混合性能,提出了一种新的内置周期三角形阻块的微混合器并利用ANSYS CFX,对其进行了数值模拟计算。通过对数值模拟结果的分析发现,微流道内阻块结构参数对微混合性能影响程从强到弱依次为:阻块攻角θ流道高度H阻块宽度L相邻混合单元间的距离D。在研究范围内可以确定最优参数组合为:θ=75°,L=0.7Wm,D=0.6Wm,H=0.4Wm。数值模拟结果表明最优参数组合的微混合器性能优异,当Re30,混合指标M95%,即已经实现完全混合。减小阻块截面宽度Wc,在一定程度上可以提高混合效果,但Wc的减小增大了加工的难度,引起较大的压力损失。本文还研究了内置阻块的形状对混合性能的影响,结果表明,当雷诺数较高时,设置周期三角形阻块对微混合器性能的提高更为有利。微混合器流道进口结构对混合性能有显著影响,相比于T型进口,选择交叉型进口结构对微混合器性能的提高更为有利,但是交叉型进口结构占用较大芯片面积,应根据实际使用要求选择合适的进口。根据数值模拟研究结果,采用MEMS加工工艺,以硅片和玻璃板为材料制作出微混合器实验芯片。以交叉进口内置周期三角形阻块的微混合器作为实验元件,进行微混合实验。利用压力传感器测量微混合器的进出口压力,拍摄微混合过程的高速数码照片。实验研究结果表明,虽然实验测得的微混合器进出口压降与数值模拟结果存在一定的误差,但相对误差变化幅度较小,这意味着测量值与数值模拟计算值保持了较好的一致性。通过比较混合过程的数码照片与数值模拟混合介质流动迹线及混合区域的颜色标示,可以看出,实验结果与数值模拟吻合的较好,从而证明了本文数值模拟计算的有效性和本文新提出的微混合器混合性能的优越性。
【关键词】：微混合器 数值模拟 内置阻块 内部流场分析 混合实验
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN492
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-12
• 第一章 绪论12-26
• 1.1 引言12
• 1.2 微混合器研究现状12-23
• 1.2.1 被动式微混合器13-20
• 1.2.1.1 叠层微混合器13-16
• 1.2.1.2 液滴式微混合器16-17
• 1.2.1.3 混沌对流微混合器17-19
• 1.2.1.4 其他类型被动式微混合器19-20
• 1.2.2 主动式微混合器20-23
• 1.2.2.1 压力扰动微混合器21
• 1.2.2.2 电动力微混合器21-22
• 1.2.2.3 磁动力微混合器22
• 1.2.2.4 声动力微混合器22-23
• 1.2.2.5 其他类型主动式微混合器23
• 1.3 微混合器的应用23-25
• 1.4 本文主要研究内容、意义及目的25-26
• 第二章 微流动理论及应用26-32
• 2.1 微尺度流动基本理论26
• 2.1.1 微尺度流动26
• 2.1.2 微尺度流动划分26
• 2.2 微尺度流动特征26-27
• 2.3 微混合相关理论27-30
• 2.3.1 微混合概述27-29
• 2.3.2 微混合常用准则数29
• 2.3.3 扩散混合与对流混合29-30
• 2.4 本章小结30-32
• 第三章 内置阻块T型微混合器数值模拟32-54
• 3.1 微混合器模型设计32-34
• 3.2 数值模拟设定34-38
• 3.2.1 数学模型34-35
• 3.2.2 混合初始条件及边界条件设置35
• 3.2.3 混合性能的评价指标35-36
• 3.2.4 网格划分及数值计算有效性检验36-38
• 3.3 结果与讨论38-53
• 3.3.1 结构参数对混合性能影响程度的比较38
• 3.3.2 流道几何结构对微混合器性能的影响38-53
• 3.3.2.1 阻块布置攻角θ对微混合器性能的影响41-43
• 3.3.2.2 流道高度H对微混合器性能的影响43-45
• 3.3.2.3 阻块宽度L对微混合器性能的影响45-47
• 3.3.2.4 相邻混合单元间的距离D对微混合器性能的影响47-48
• 3.3.2.5 阻块距离最窄处宽度Wc对微混合器性能的影响48-49
• 3.3.2.6 内置阻块形状对微混合器性能的影响49-51
• 3.3.2.7 微混合器流道进口结构对微混合器性能的影响51-53
• 3.4 本章小结53-54
• 第四章 微混合器实验芯片制作54-64
• 4.1 MEMS加工54-58
• 4.1.1 硅片清洗55
• 4.1.2 硅片氧化55
• 4.1.3 图形转移55-58
• 4.1.3.1 制版56
• 4.1.3.2 光刻56-57
• 4.1.3.3 对准57
• 4.1.3.4 湿法腐蚀57
• 4.1.3.5 干法刻蚀57-58
• 4.1.4 静电键合58
• 4.2 内置周期三角形阻块微混合器制作58-62
• 4.2.1 内置周期三角形阻块微混合器制作工艺流程58-60
• 4.2.2 微混合器实验芯片60-62
• 4.3 本章小结62-64
• 第五章 微混合器混合实验研究64-74
• 5.1 实验设计64-67
• 5.1.1 实验原理64
• 5.1.2 实验装置64-66
• 5.1.3 实验步骤66-67
• 5.1.3.1 压力损失特性实验66
• 5.1.3.2 微混合实验66-67
• 5.2 实验结果分析67-72
• 5.2.1 混合性能分析67-70
• 5.2.2 进出口压降分析70
• 5.2.3 实验结果与数值模拟结果比较70-72
• 5.2.3.1 进出口压降比较70-71
• 5.2.3.2 混合性能比较71-72
• 5.3 本章小结72-74
• 第六章 总结与展望74-76
• 6.1 总结74-75
• 6.2 展望75-76
• 参考文献76-80
• 致谢80-81
• 攻读硕士期间发表论文情况81

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本文编号：292626