基于Cantor分形的微混合器的数值模拟研究

发布时间：2020-04-12 00:25

【摘要】：微流控芯片(Microfluidic Chip)是一种结合了生物分析和化学分析的微型实验仪器,它是当今社会热门的研究方向之一。而微混合器作为微流控芯片中的基础部分,也在生物化学工程中提供了重要的应用价值。目前微混合器可以划分为两类:被动式微混合器和主动式微混合器。被动式微混合器依靠的是内部微通道的复杂的结构设计来提高混合效率的。被动式微混合器和主动式微混合器的主要区别在于是否需要借助外部能量促进流体的混合。本文结合大量研究人员的理论和研究,将数学中的Cantor分形结构与微混合器的设计相结合,设计了多种带有Cantor分形结构的被动式微混合器和电渗微混合器,并进行了数值仿真模拟,最后对微混合器的制作也进行了实验探究,本文主要内容如下:(1)基于Cantor分形原理设计出分形几何结构,将分形结构与微通道设计相结合,构造带有分形结构的微通道。通过仿真对比,优化参数,得出分形结构能够有效的打破层流,增加混合路径并促使流体混合时产生旋涡,从而促进了混沌对流,最后优化设计出一种高效率的仿Cantor分形微混合器。(2)将基于Cantor分形原理设计的分形结构运用到微通道壁面设计中,形成分形凹槽或分形档板,通过多种微通道的仿真对比,得出SFO结构优于PFO和TFO结构,能够明显的产生混沌对流,设计出了高效的Cantor分形档板凹槽式SFO微混合器。(3)基于Cantor分形设计出电渗微混合器。通过前期探究,主要比较的参数有电极的长度、分形电极间距、电极上施加电压的大小,频率的大小等因素,最终得出在同电压频率下,间距200μm的Cantor分形电极产生的电场能促进流体产生较强的混沌旋涡,最后设计出的Cantor分形结构的电渗混合器较无电极时混合效率提高50%。(4)本文在实验室现有的基础上对PMMA、PET、PS等材质芯片进行微通道加工,通过改变激光切割的功率、激光半径等均可以对微通道产生不同的影响。探究热压芯片键合机对不同材质芯片的热键合参数。最终采用CO_2激光加工和热压键合联合的方法成功制作了双层PS材质的Cantor分形微混合器芯片和四层PMMA材质的Cantor分形微混合器芯片,并进行了样品混合实验的验证。总的来说,本文通过将Cantor分形引入到微通道的设计中,研究得出Cantor分形结构能够有效的促进混沌对流的产生,利用数值模拟仿真研究设计了几种混合效果较好的主动式和被动式微混合器,对微混合器的设计和开发有一定的指导价值。
【图文】：

微混合器,Y型

学的发展中发挥巨大的作用。器概述混合器器作为微流控芯片中的应用之一。目前，被动微混合器的主要混合方散和混沌对流。有两种方法可以提高分子扩散水平，即增加不同相流便接触、累积或缩短组分的扩散距离；而混沌对流主要通过在同面积径长度或增加微通道内部复杂结构来实现[8]。科研人员依据微混合器道结构，将被动微混合器分为以下几种：-Y 型微混合器和 Y 字型微混合器是最经典的微混合器，如图 1.1 所示为最早期的两998 年，B kenkamp 等人[9]为了缩短急冷实验的观测时间，设计并制接的 T 型微混合器被刻蚀在一个 1cm×1cm 的硅片上，该芯片与一台接通。因此减小了混合室的体积和它们之间的距离，使仪器的死机次

对流型,微通道,微混合器

混沌对流式微混合器的设计原理简单并且易于设计，所以主流被动式沌对流混合器为主。混沌对流微混合器主要是通过通道内复杂的结构使流折叠，并破坏流体稳定状态进而打破层流进行高效混合。研究人员对设计起混沌对流提高流体混合效率越来越感兴趣，其中拥有复杂微通道的三维了科研人员的广泛关注。Tofteberg 等人在平面通道系统中设计了一种被动出了一种控制流截面 90°旋转的工作原理。通过分裂成多个通道，这些通复旋转 90°，从而增加流体的折叠，因此有效地打破层流状态，显著增强了图 1.2（a）所示为二维平面修改的 Tesla 结构。这种结构也是依靠折叠流从而产生混沌对流，因此混合效果得到了明显的改善。图 1.2（b）中 3D 道是由一系列相互垂直的 C 形片断组成，适用的雷诺数范围为 25~70。K蜿蜒折线形微混合器带来了新的思路和方法，他们通过映射的方法设计了合器的特征尺寸的优化方法。李铁川等人[13]利用拓扑优化的方法优化设计合器，其效率提高了 67%。张帅[14]基于 Koch 分形原理设计出的 Koch 分微通道内有效的打破层流，明显促进混沌对流的产生，，所以其基于 Koch 多种高效率的微混合器。
【学位授予单位】：辽宁工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TQ051.71

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