基于Koch分形原理的被动式微混合器数值模拟研究

发布时间：2020-11-07 11:04

　　 芯片实验室在化学和生物领域有多种应用。它提供了一种便携式和低成本的替代实验和操作的方法,可以避免分析实验必须在设备齐全的科学实验室进行。因此,一种被称为微流控技术的先进技术引起了越来越多的关注,微混合器作为微流体控制芯片的重要组成部分,在分析系统的集成化、小型化、化学合成及能源生产等领域有着广阔的应用前景。由于被动式微混合器在流体的混合过程中不需要施加外力的特点,通过对其几何结构的研究来实现混合目的变得尤为重要。本论文总结了近年来国内外被动式微混合器的研究现状。在前人研究成果的基础上,结合Koch分形理论对几何形状的改变特性,对被动式微混合器的结构进行设计和优化,并进行数值仿真。首先,针对传统的二维微通道内设置障碍物的微混合器,利用Koch分形来改变障碍物的形状,通过仿真发现在分形混合区域内产生八个涡流区域,有助于提高混沌对流,提高混合效率。然后,把Koch分形对形状的改变应用到三维通道的壁面上,并且以Koch分形的形状结构设计了Koch分形微通道,在壁面作用下产生的聚合分离现象对促进混合具有决定性作用。针对传统的人字形或鱼骨形挡板微混合器,我们利用科赫分形原理对其形状进行改进来提高微混合器的性能,通道内流体在分形挡板处产生螺旋现象,并且流体浓度沿通道方向剧烈波动,浓度曲线呈快速收敛,流体混合均匀。最后,针对Koch分形微通道的微混合器,并在实验室前期研究的基础上对微通道的加工方法,对微混合器的键合技术进行了适当的改进,通过二次加压来提高键合强度和成功率,避免发生漏液现象。
【学位单位】：辽宁工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TQ051.71
【部分图文】：

运动而实现有效地混合。混合器的混和效果与提供的电场、频率及流量有关，雷诺数对其并无重要的影响，同时频率的增加，离子运动方向连续改变会降低混合效率。另一方面，频率过低时，电极的饱和以及与气泡的形成又不利于混合。图1.1为电渗微混合器的实验系统示意图，主流由压力驱动，交叉流由电渗力驱动。图1.1 电渗微混合器实验系统示意图[58]Fig. 1.1 Schematic diagram of the electroosmotic micromixer experimental system图 1.2 磁流体驱动微混合器[59]Fig. 1.2 Magnetic fluid driven micromixerBau 等人设计一种如图 1.2 所示利用磁流体驱动的微混合器。该混合器可以有效提高微全分析系统中流体的混合效率，它在微通道底部沉积了多组电极阵列，微通道内液体为具有磁性的电解质溶液。图 1.2 中所示的字母 A，B，C，D，E 代表微通道的底部沉积电极，并且分别垂直于微通道侧壁；电极交替与电源正负极相连，使两电极间的溶

（MHD）驱动利用电流对两中具有导电性质的电解液体进行电离，混合。混合器的混和效果与提供的电场、频率及流量，同时频率的增加，离子运动方向连续改变会降低混极的饱和以及与气泡的形成又不利于混合。图1.1为主流由压力驱动，交叉流由电渗力驱动。图1.1 电渗微混合器实验系统示意图[58] 1.1 Schematic diagram of the electroosmotic micromixer experim

方向如图 1.2 中箭头所示。通过磁场与电场的相互于流体，进而使电解质溶液运动变得更加复杂，流体间的接规则现象，能够加强液流的混合。合器合器的设计多采用复杂微通道结构来促进混合，没有使用外动微混合器内没有移动部件，因此制造和操作更容易。近年被动微混合器上，因为它们只需要更加简单的制造设备，整体作控制容易，而且与主动微混合器相比，其很容易与其他设，流体在微通道中的流动为层流状态，影响微混合器混合的增强混沌对流。由于被动混合器的这些特性，利用科赫分形优化，以此提高微混合器的混合效率是本文研究的主要目的合混合方式又可分为分层流微混合器、混沌对流微混合器等层流微混合器工作较好。相对应的，Re 数较大时，混沌对混合效果。下面主要介绍几种常见的微混合器类型。
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本文编号：2873854