流动聚焦型微流控芯片微通道结构优化

发布时间：2021-10-24 17:34

　　为探究一种生成单个液滴周期短、消耗连续相试剂量小、加工成本低的微流控芯片,利用FLUENT仿真软件和VOF方法对正交试验中16种不同结构尺寸的微流控芯片进行数值模拟,最后,使用理想解法（TOPSIS）对数值模拟结果进行综合评价,得出16种结构的优劣次序。评价结果表明,当连续相通道尺寸为40μm、离散相通道尺寸为30μm、十字出口通道尺寸为25μm、通道深度为20μm时,可以得到尺寸结构最优的微流控芯片。该微流控芯片生成微滴直径较小,生成频率最高,单位时间内消耗连续相试剂较少。 

【文章来源】：郑州大学学报(工学版). 2020,41(04)北大核心

【文章页数】：5 页

【部分图文】：

流动聚焦型微通道几何模型

笔者采用正六面体网格对模型进行划分。为消除划分网格大小对计算结果产生的影响，以截面尺寸为45μm×45μm的流动聚焦型微流控芯片为模型，取2、3、4、5、6.7μm 5组网格尺寸，对数值模拟中的网格进行独立性验证。参考Chen等[13]对液滴体积的计算公式，计算出各网格尺寸对应的液滴直径。当vd=vc=0.01 m/s，液滴直径随网格尺寸的变化如图2所示。由图2可知，当网格尺寸在2～3μm时，液滴直径几乎不发生变化。为节省计算时间和便于划分网格，采用2.5μm×2.5μm×2.5μm的正六面体网格对模型进行划分和计算。

为便于对试验结果进行分析，根据离散相进口宽度的不同，将16种仿真结果按试验序号依次均匀分成4行，流动聚焦型微流控芯片内部两相流的仿真结果见图3。由图3可知，1、6、11、16仿真组所生成的液滴直径相对于同一行的其他仿真组所生成的液滴直径较大，且生成液滴的频率相对于其他仿真组较小。3、8、9、14仿真组所生成的液滴直径相对于同一行中其他仿真组所生成的液滴直径较小，且生成液滴的频率相对于其他仿真组较大。这是因为随着微通道十字交叉出口宽度的减小，在十字交叉出口处流体压力逐渐增大，使生成的微液滴直径减小，生成频率增加，这与刘赵淼等[5]的研究结果相符合。2.2 利用理想解法对仿真结果进行分析

【参考文献】：
期刊论文
[1]基于叶片载荷分布的离心泵正交优化设计[J]. 薛城,祝宝山,刘小兵,胡赞熬.  工程热物理学报. 2019(05)
[2]基于加权理想解法的沥青抗老化性能评价[J]. 岳军委.  筑路机械与施工机械化. 2018(03)
[3]十字型微通道中乳液流变行为的数值模拟[J]. 丁奕文,刘向东,张程宾.  化工进展. 2017(S1)
[4]数字PCR中微滴生成尺寸与频率的数值模拟[J]. 张森,冯继宏,张弘,高辛未.  北京生物医学工程. 2017(04)
[5]几何构型对流动聚焦生成微液滴的影响[J]. 刘赵淼,杨洋.  力学学报. 2016(04)
[6]微流控芯片的研究及产业化[J]. 林炳承.  分析化学. 2016(04)
[7]十字交叉微通道内微液滴生成过程的数值模拟[J]. 王维萌,马一萍,陈斌.  化工学报. 2015(05)
[8]微流控芯片技术研究概况及其应用进展[J]. 余明芬,曾洪梅,张桦,邱德文.  植物保护. 2014(04)



本文编号：3455688