基于液液非均相体系的混沌微混合器研究与设计

发布时间：2017-07-05 01:07

  本文关键词：基于液液非均相体系的混沌微混合器研究与设计

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【摘要】：随着微机电技术在化学化工、生物医药、环境工程等各个领域的推广应用,相应的设备仪器也朝着微型化与集成化的方向发展。微混合器作为微流控芯片中的重要组成部分,具有混合效率高、易加工与控制、成本较低和集成性好等优点,因此微混合器结构的开发设计逐渐成为国内外学者研究热点之一。由于在微尺度条件下流体流动呈层流状态,流体混合主要依靠扩散作用,为达到快速高效混合的目的,将混沌混合机理引入微混合技术并形成了如鲱鱼骨形、三维折叠形和锯齿形等各种结构的混沌微混合器。本文基于液液非均相体系中液滴的形成与融合技术,将待混合的试剂包裹在液滴内部形成一个个独立的混合区域,在液滴内循环以及微通道壁面剪切作用下诱发内部混沌混合效应,因此可达到快速高效混合的效果。本文针对液滴式微混合器的研究主要内容如下：(1)利用CFD数值模拟的方法研究十字型微通道中液滴的形成和融合过程,为研究液滴内部的混合过程奠定基础。通过建立十字形微通道模型模拟水油两相流,研究形成稳定液滴流的参数条件和不同流型的分析控制。分别研究两相流速、流体粘度和表面张力对形成液滴大小的影响情况,达到可以通过调整流体参数控制形成液滴大小与形成时间的目的。(2)建立三种不同结构的微混合器模型,分别为直通道、V形和U北京化工大学硕士学位论文形通道微混合器,采用流体体积函数(VOF)和标量方程法(UDS)模拟微混合器内的混合过程。利用标量示踪剂浓度分析的方法比较三种微混合器的混合效果,并且通过分析内部压降大小分析比较各自的能量消耗情况。此外,分析研究各微混合器中液滴内部的混合情况以及混合机理。(3)对V形微混合器内的混合机理以及结构优化展开进一步的研究。通过正交试验研究微混合器各结构参数对混合度以及压降大小的影响,优化该混合器结构使其满足高效混合同时节省能耗的要求。由于流体物性参数也在很大程度上影响着液滴内的混合效果,分别研究了水含率、雷诺数以及毛细力准数对V形微通道混合效率的影响。(4)利用高速摄像机、微量注射泵以及十字型微通道芯片搭建实验平台,观测油包水液滴的形成和融合过程,并探究流体参数(两相流速比、连续相粘度)对形成液滴大小的影响。将实验结果与模拟结果对照分析,得出二者有较好的吻合度,且实验与模拟结果所得液滴大小随物性参数的变化趋势一致。本文的研究成果为利用液滴式微混合器进行试剂混合提供了一定理论依据,也为微混合器的结构设计与优化、操作参数的设定提供了一定的参考。
【关键词】：微混合器 液滴 计算流体力学 混沌混合
【学位授予单位】：北京化工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN492;TH-39
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-15
• 符号说明15-16
• 第一章 绪论16-28
• 1.1 课题研究背景及意义16-17
• 1.2 微混合器简介17-24
• 1.2.1 微混合器的分类17-21
• 1.2.2 混沌微混合器21-23
• 1.2.3 微混合器的应用23-24
• 1.3 液滴式微混合器研究现状24-27
• 1.4 本课题的研究内容27-28
• 第二章 液液非均相体系中流体流动特性28-38
• 2.1 液液非均相流体数值模拟研究28-32
• 2.1.1 十字微通道模型建立及参数设置28-29
• 2.1.2 模型及控制方程的选择29-30
• 2.1.3 模拟结果30-31
• 2.1.4 十字微通道内液滴形成机制31-32
• 2.2 物性参数对液滴大小的影响32-37
• 2.2.1 水含率的影响32-33
• 2.2.2 连续相粘度的影响33-34
• 2.2.3 两相表面张力的影响34-35
• 2.2.4 壁面接触角的影响35-37
• 2.3 本章小结37-38
• 第三章 微混合器内流体混合过程与性能研究38-50
• 3.1 液滴内流体混合过程的数值模拟38-43
• 3.1.1 微混合器模型建立38-39
• 3.1.2 液滴内流体混合数值模拟39-40
• 3.1.3 液滴内混合程度分析40-41
• 3.1.4 微流道内压降能耗分析41-43
• 3.2 混合机理研究43-47
• 3.2.1 微液滴内混沌混合现象43-45
• 3.2.3 液滴的内循环作用45-47
• 3.3 本章小结47-50
• 第四章 V形微通道混合器结构优化与混合过程研究50-62
• 4.1 微通道结构参数对液滴内流体混合效果的影响50-55
• 4.1.1 V形微通道结构参数正交试验50-52
• 4.1.2 弯道角度大小对混合效果的影响52-55
• 4.2 操作条件对液滴内流体混合效果的影响55-60
• 4.2.1 水含率的影响55-57
• 4.2.2 雷诺数的影响57-59
• 4.2.3 毛细数的影响59-60
• 4.3 本章小结60-62
• 第五章 十字型微通道液滴形成实验62-72
• 5.1 实验方法简介62-65
• 5.1.1 实验装置及流程62-63
• 5.1.2 仪器设备63-64
• 5.1.3 实验试剂64-65
• 5.2 实验结果与讨论65-71
• 5.2.1 微液滴形成过程65-66
• 5.2.2 液滴成型的影响因素分析66-69
• 5.2.3 实验与模拟结果对照69-71
• 5.3 本章小结71-72
• 第六章 结论与展望72-74
• 6.1 结论72-73
• 6.2 展望73-74
• 参考文献74-78
• 致谢78-80
• 研究成果及发表的学术论文80-82
• 作者和导师简介82-83
• 附件83-84

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本文编号：519961