微流体混合器的设计与有限元模拟

发布时间：2020-06-13 16:34

【摘要】：近十年来微流控技术得到了高度的关注和飞速的发展,作为其中一种重要的研究分支,流体的快速混合技术能够极大的提升试剂的分析速度,被广泛地应用于生物化学等交叉领域。本文结合微流控技术,探讨了微尺度下流体混合特征及常见微流体混合器的运用发展,针对低雷诺数下的层流混合难题,设计了两种具有易于制造和简单构型特点的微尺度快速混合器:交流电场下的电渗微混合器和具有非对称侧流壁面结构的被动式微混合器。主要研究结果如下:(1)设计了一种电场驱动的电渗微混合器。其结构的主要特点是具有一个类环形混合单元,这个类环形单元包含两对呈现相反极性的电极,和一种收缩的非对称壁面结构。基于横向微管道结构的不对称性,在不同浓度的流体并行进入混合单元后,在外部激励电场的共同作用下,混合器内流场发生较强的扰动。基于有限元方法和电渗效应,应用有限元仿真软件构建微混合器模型,包括入口、出口、混合单元构型,分析流体混合机理和不同电场强度下该微混合器内流场、浓度分布及电场分布规律,并通过计算流体混合指标,深入评价微混合器的混合性能。(2)设计了一种具有非对称侧流壁面结构的被动式微混合器。其结构的主要特征是混合单元内的矩形直管道与圆弧形管道相接,在圆弧形管道上具有收缩的侧流壁面。基于微流动理论,当流体流过弯曲管道时可在离心力的作用下产生Dean效应,这种叠加在主流之上的效应能够打破微尺度下的层流混合状态,增强流体之间的对流作用。同时将90度直角壁面结构与弯管道相结合,在Dean涡旋消失之前流体重复转弯,进一步促进流体的混合。基于有限元方法构建微混合器模型,包括入口、出口、混合单元构型,分析速度场及物质浓度分布规律,随后通过数值计算,比较了具有非对称侧流壁面结构的被动式微混合器和普通“S”型结构的混合器在不同雷诺数下流场和浓度场的差异,发现雷诺数达到100时,具有收缩壁面的“S”型结构在较高主流速度的冲击下仍旧可以保留完整的涡旋。最后评价了在不同雷诺数下两种混合器的混合效率,通过对比得出具有非对称侧流壁面结构的被动式微混合器的混合性能要整体优于普通“S”型结构的混合器.尤其是在雷诺数在30至100范围时,前者的混合效率远超后者。通过大量仿真结果对两种微混合器的模型进行数值验证.表明本文所建立的两种微混合器具有较为优越的混合效率,司时具有结构简单、易于加工的优势,可为高效的微流控芯片的设计提供参考,在生物化工等领域具有积极的应用前景。
【图文】：

１．２．１压力驱动微混合器逡逑压力场驱动的微混合器通常结构简单．并且主．：ｇ「ｉ上有一个或者多夂侧通道，逡逑如图１．１，图中为三种压力场驱动通道，逡逑Ｉｎｌｅｔ邋Ｂ逦Ｖ＇５ｉｎ（ＵＪｔ｝逦ｖ；ｓｍ叫ｕ逡逑ａ逦；邋ｖ邋；逦ｂ逦Ｃ逡逑ｖ逦＇■逦＾逦．．．．逡逑＼逦Ｆｌｏｗ逦？ｉ0ｗ邋—■逡逑Ｉｆｌｉｃｔ邋Ａ邋－￣＊ｖ逦＾逡逑Ｖ＾ｓｉｎｊｕｉｔ）逡逑图１．邋１三种基本压力场驱动的微混合器通道构型（ａ－ｃ）逦（ａ）—个主通道和一个侧边通逡逑道：（ｂ）邋—个主通道和多个侧边通道；（Ｃ）相互交叉的十字通道逡逑Ｆｉｇ．邋１．１．邋Ｔｈｒｅｅ邋ｂａｓｉｃ邋ｃｈａｎｎｅｌ邋ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ｍｉｃｒｏｍｉｘｅｒ邋ｄｉ＇ｉｖｅｎ邋ｂｙ邋ｐｒｅｓｓｕｒｅ邋ｆｉｅｉｄｓ（ａ－ｃ）邋（ａ）邋ａ邋ｍａｉｎ逡逑ｃｈａｎｎｅｌ邋ａｎｄ邋ａ邋ｓｉｄｅ邋ｃｈａｎｎｅｌ；邋Ｃｂ）邋ａ邋ｍａｉｎ邋ｃｈａｎｎｅｌ邋ａｎｄ邋ｍｕｌｔｉｐｌｅ邋ｃｈａｎｎｅｌｓｉ（ｃ）邋ｔｗｏ邋ｃｒｏｓｓ邋ｃｈａｎｎｅｌｓ．逡逑典型的压力场驱动微混合器是基于交替扰动，这是Ｄｅｓｈｍｕｋｈ等人１４６］在２０００逡逑年首先？用脉动徵泵引起流体的交替扰动。然后\，

本文编号：2711447