叶序排布通道微混合器的研究

发布时间：2017-06-20 17:15

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【摘要】：进入21世纪以来,随着科学水平的不断提高,越来越多的研究者已经开始重视科学仪器,特别是在微流控芯片方面。为了让分析设备微型化、集成化,尽早的实现个人化、家庭化,人们对流体的快速而有效的混合进行了大量的理论推导和实验研究。本文首先将叶序理论与微流体混合机理相融合,提出了端面结构、柱状展开结构、柱状结构三种不同结构的叶序排布通道微混合器,并分别对每种结构依次分析了叶序系数、微圆柱直径、微圆柱排布形式等对微圆柱排布形态的影响。结合金属蚀刻原理和电镀技术,设计出叶序排布混合通道的制造工艺流程,并利用三维造型软件(UG)设计三种结构微混合器在不同参数下的混合通道。其次利用FLUENT软件对混合液在不同结构微混合器中的流动状态进行了数值模拟,模拟结果表明:混合液在叶序排布混合通道内沿着叶列线沟槽均匀流动,且叶序排布通道内混合液的流动要比其他排布形式的混合通道流动更均匀,混合效果更好。然后根据所设计的叶序排布混合通道的制造工艺流程,制造出所设计参数的微混合器。其中的关键步骤是叶序排布防蚀层与微圆柱的制备。本文采用光刻技术制备了叶序排布防蚀层,利用电解蚀刻和电铸依次加工出三种微混合器的混合通道,制作完成的混合通道与上下盖板紧密粘合,准备进行混合性能实验。最后针对不同结构的微混合器搭建了实验平台,对每种结构的微混合器依次进行了混合性能对比实验。本文分别进行了不同叶序系数、不同微圆柱直径、不同微圆柱排布形式、不同进样速度下的叶序排布通道微混合器进行对比实验,结果表明:通过改变叶序排布通道微混合器的叶序系数、微圆柱直径、微圆柱排布形式等可以实现微混合器的优化;选取合适的进样速度可以实现微混合器良好的混合性能,且在相同的实验条件下,叶序排布通道微混合器的混合性能要优于其他微圆柱排布形式的微混合器。
【关键词】：叶序理论 微混合器 流体仿真 电铸 电解蚀刻 混合性能
【学位授予单位】：沈阳理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN492
【目录】：

• 摘要6-7
• Abstract7-14
• 第1章 绪论14-22
• 1.1 课题研究背景14
• 1.2 国内外研究发展现状14-20
• 1.2.1 被动式微混合器的研究进展15-20
• 1.2.2 混合机理研究进展20
• 1.3 课题研究内容20-21
• 1.4 课题研究意义21
• 1.5 本章小结21-22
• 第2章 叶序排布通道微混合器的设计22-44
• 2.1 叶序理论模型的提出与建立22-23
• 2.2 端面叶序排布结构的微混合器设计23-29
• 2.2.1 适用于端面结构叶序排布的H.Vogel模型23
• 2.2.2 端面结构的微混合器混合通道设计23-24
• 2.2.3 端面结构的微混合器参数选择24-26
• 2.2.3.1 叶序系数的选择24-25
• 2.2.3.2 微圆柱直径的选择25-26
• 2.2.3.3 微圆柱排布形式的选择26
• 2.2.4 端面结构微混合器的混合通道三维模型26-28
• 2.2.5 端面结构微混合器三维模型28-29
• 2.3 柱状叶序排布展开结构的微混合器设计29-36
• 2.3.1 适用于柱状展开结构的叶序排布Van Iterson模型29-30
• 2.3.2 柱状展开结构的微混合器混合通道设计30-31
• 2.3.3 柱状展开结构的微混合器参数选择31-33
• 2.3.3.1 叶序系数的选择31-32
• 2.3.3.2 微圆柱直径的选择32-33
• 2.3.3.3 微圆柱排布形式的选择33
• 2.3.4 柱状展开结构微混合器的混合通道三维模型33-35
• 2.3.5 柱状展开结构微混合器三维模型35-36
• 2.4 柱状叶序排布结构的微混合器设计36-43
• 2.4.1 适用于柱状结构的叶序排布Van Iterson模型36-37
• 2.4.2 柱状结构的微混合器混合通道芯设计37
• 2.4.3 柱状结构的微混合器参数选择37-39
• 2.4.3.1 叶序系数的选择38
• 2.4.3.2 微圆柱直径的选择38-39
• 2.4.3.3 微圆柱排布形式的选择39
• 2.4.4 柱状结构的微混合器圆柱混合通道芯设计39-42
• 2.4.5 柱状结构的微混合器三维模型42-43
• 2.5 本章小结43-44
• 第3章 叶序排布通道微混合器的数值模拟44-70
• 3.1 FLUENT软件概述44
• 3.2 微流体的基本概念与控制方程44-46
• 3.3 端面叶序排布结构微混合器的数值模拟46-53
• 3.3.1 端面结构微混合器混合通道的几何模型46
• 3.3.2 网格生成与边界条件的建立46-47
• 3.3.3 数值模拟与结果分析47-53
• 3.3.3.1 进样速度对混合效果的影响48-49
• 3.3.3.2 叶序系数对混合效果的影响49-51
• 3.3.3.3 微圆柱直径对混合效果的影响51-52
• 3.3.3.4 微圆柱不同排布对混合效果的影响52-53
• 3.4 柱状叶序排布展开结构微混合器的数值模拟53-60
• 3.4.1 柱状展开结构微混合器混合通道的几何模型53
• 3.4.2 网格生成与边界条件的建立53-54
• 3.4.3 数值模拟与结果分析54-60
• 3.4.3.1 进样速度对混合效果的影响54-56
• 3.4.3.2 叶序系数对混合效果的影响56-57
• 3.4.3.3 微圆柱直径对混合效果的影响57-58
• 3.4.3.4 微圆柱不同排布对混合效果的影响58-60
• 3.5 柱状叶序排布结构微混合器的数值模拟60-68
• 3.5.1 柱状结构微混合器混合通道的几何模型60
• 3.5.2 网格生成与边界条件的建立60-61
• 3.5.3 数值模拟与结果分析61-68
• 3.5.3.1 进样速度对混合效果的影响61-63
• 3.5.3.2 叶序系数对混合效果的影响63-65
• 3.5.3.3 微圆柱直径对混合效果的影响65-67
• 3.5.3.4 微圆柱不同排布对混合效果的影响67-68
• 3.6 本章小结68-70
• 第4章 叶序排布通道微混合器制作70-83
• 4.1 端面叶序排布结构的微混合器制作70-76
• 4.1.1 端面结构微混合器制作材料的选择70
• 4.1.2 端面结构微混合器混合通道的制作70-76
• 4.1.2.1 电铸混合通道71-74
• 4.1.2.2 混合通道表面处理与检测74-76
• 4.1.3 端面结构微混合器的制作76
• 4.1.3.1 上、下盖板的制作76
• 4.1.3.2 混合通道与上、下盖板的粘合76
• 4.2 柱状叶序排布展开结构的微混合器制作76-78
• 4.2.1 柱状展开结构微混合器制作材料的选择77
• 4.2.2 柱状展开结构微混合器混合通道的制作77-78
• 4.2.3 柱状展开结构微混合器的制作78
• 4.2.3.1 上、下盖板的制作78
• 4.2.3.2 混合通道与上、下盖板的粘合78
• 4.3 柱状叶序排布结构的微混合器制作78-82
• 4.3.1 柱状结构微混合器制作材料的选择78-79
• 4.3.2 柱状结构微混合器混合通道芯的制作79-81
• 4.3.2.1 电解腐刻混合通道79-81
• 4.3.2.2 检测混合通道81
• 4.3.3 柱状结构微混合器的制作81-82
• 4.3.3.1 上、下盖板的制作81-82
• 4.3.3.2 混合通道芯与外壁配合82
• 4.4 本章小结82-83
• 第5章 叶序排布通道微混合实验研究83-122
• 5.1 端面叶序排布结构微混合器的混合特性研究83-96
• 5.1.1 实验材料83-84
• 5.1.2 实验系统84-85
• 5.1.2.1 实验所用设备84
• 5.1.2.2 实验系统组成84-85
• 5.1.3 实验方案设计85-87
• 5.1.4 溶液的灰度值标定87-88
• 5.1.5 实验图片分析处理88-89
• 5.1.6 实验结果与模拟值比较89-96
• 5.2 柱状叶序排布展开结构微混合器的混合特性研究96-107
• 5.2.1 实验材料96
• 5.2.2 实验系统96-98
• 5.2.2.1 实验所用设备96-97
• 5.2.2.2 实验系统组成97-98
• 5.2.3 实验方案设计98-100
• 5.2.3.1 混合评价方法简述98
• 5.2.3.2 实验方案设计98-100
• 5.2.4 拍摄说明100
• 5.2.5 实验图片分析处理100-101
• 5.2.6 实验结果与模拟值比较101-107
• 5.3 柱状叶序排布结构微混合器的混合特性研究107-120
• 5.3.1 实验材料107-108
• 5.3.2 实验系统108-109
• 5.3.2.1 实验所用设备108
• 5.3.2.2 实验系统组成108-109
• 5.3.3 实验方案109-112
• 5.3.3.1 拍摄角度简述109
• 5.3.3.2 拍摄过程简述109-110
• 5.3.3.3 混合评价方法110-111
• 5.3.3.4 实验方案设计111-112
• 5.3.4 实验图片分析处理112-114
• 5.3.5 实验结果与模拟值比较114-120
• 5.4 本章小结120-122
• 结论122-124
• 参考文献124-128
• 攻读硕士学位期间发表的论文和获得的科研成果128-129
• 致谢129-130

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本文编号：466337