直管道电渗微混合器混合机制及参数优化研究
发布时间：2021-04-06 12:02
随着纳米材料及微机电系统的迅速发展,微流控技术在生物医学、化学分析和环境改善等方面呈现出广泛的应用前景。其中电渗流是通过外加电场驱动微液体在壁面上流动,形成扰动的涡流来控制流体流动的主动方案。电渗驱动以效率高、可控性好、成本低、不需要活动部件等优点,成为微流动控制的主要发展方向。本文在电渗微混合器的国内外研究的基础上,采用数值模拟的方法针对直管道微混合器的混合机制及参数优化进行研究,主要研究成果和创新点如下:在微通道内流体流动的理论基础上,研究了电渗流的产生机理、影响因素及流体流动特性,分析了数值模拟过程中所涉及的物理场控制方程和边界条件。建立了二维直通道电渗微混合器模型,研究电渗参数对混合效率的影响。结果表明:当施加交变电场时,电极处由于电场电渗诱发混沌流形成漩涡,流体发生挤压和拉伸,混合效果较无交变电场时明显增强;随着电极电压、电极长度和电极频率的增大,微通道出口处的平均混合效率先增大后减小,均有一个合适的电极参数值使混合效率达到最大。建立了三维圆柱型管道电渗混合器模型,在管壁外侧放置两个弯曲的电极,针对电渗流对混合效率影响及机理进行分析。结果表明:施加正弦交变电场后形成的电渗流场...
【文章来源】：燕山大学河北省
【文章页数】：70 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
T型和
第1章绪论-5-a)T型混合器b)R型混合器图1-4T型和R型混合器结构图[36]通过在混合通道中设置凹槽或者添加一些障碍物可以增加混合效率，这些凹槽或者障碍物会产生额外的扰动。王昆等人[38]进一步进行改造强化混合采用计算流体力学的方法研究了V型凹槽内3种不同阻块放置的混合器并对比其混合性能和能量消耗，如图1-5为引入凹槽的混合器。Hsieh[39]设计了一组内置阻块波浪形微混合器，研究结果表明可以有效地诱发混沌流，提高流体的混合效果。文献[40]给出了不同无源微混合器性能的对比表，由表可以得出，在无源混合器中添加障碍物、在壁面设置壁垒或改变混合器结构形状等，均可以有效提高混合效率。Strook[41]设计了骨型的微混合器，Fu[42]设计了SOR微混合器，均是通过在微通道内添加阻块，扰动流场并诱发混沌流增强混合效果。宋红军[43]通过改变管道内表面电势，得到一种新型的电渗微混合器-棋盘微混合器（如图1-6所示），结果表明混合效果显著增强。图1-5引入凹槽的混合器[38]图1-6棋盘微混合器的示意图[43]
第1章绪论-11-和电压频率有利于促进微通道中的溶液混合。图1-8微混合器设计示意图[68]图1-9非对称电极交流电渗微混合器的结构图[69]1.4本文研究目的和内容提高微流体系统的混合效率已经成为微混合研究的热点，并引起了学者的广泛关注。而现有研究主要针对混合器的结构形式，缺少对混合机制的研究。课题采用数值模拟的方法构建二维直通道和三维圆柱型微混合器模型，研究电极参数对混合效率的影响，并针对电渗混合参数进行优化研究，探讨电渗混合机理及流场控制方案，以提高微混合器模型的混合效率。本文研究内容主要包括：（1）微通道内流体流动理论基础介绍了微通道内流体流动理论基础，电渗流的产生机理、影响因素及应用，分析了微通道内流体流动特性包括流体混合机理和混合强度衡量指标，最后本文所采用的数值模型的物理场控制方程和边界条件；（2）二维直通道电渗微混合器数值模拟建立了直通道电渗微混合器模型并进行二维电渗微混合器的数值模拟，研究分析电极参数对涡流特性和混合效率的影响，电极参数包括电极电压、电极长度和电极频率，最后对电极参数进行优化，找到最合适的电极参数，使微混合器的混合效率达到最优；（3）三维圆柱型通道电渗微混合器数值模拟建立圆柱型电渗微混合器模型并进行三维电渗微混合器的数值模拟，研究分析了电渗流尝复合流场的形成机制及特性，并进一步探讨流场的控制方案；
【参考文献】：
期刊论文
[1]微通道混合器的研制及在微乳液制备中的应用[J]. 朱宝伟,陈红,刘海燕,冯若凡. 化学试剂. 2019(06)
[2]电渗排水固结中电极材料的对比试验[J]. 张雷,王宁伟,景立平,方晨,董瑞. 岩土力学. 2019(09)
[3]微通道技术在精细化学品合成中的应用[J]. 刘冰,杨林涛,刘东,闫士杰,马骏驰,鄢冬茂. 染料与染色. 2018(06)
[4]嵌有离子选择性膜的微通道内增强电渗流及除盐效应分析[J]. 刘伟,龚玲艳,朱育丹,李子瑞. 中国科学:技术科学. 2018(01)
[5]真空电渗技术对水厂污泥脱水过程中铝去除的试验[J]. 许航,王康,崔建峰,申昆仑,丁明梅. 净水技术. 2017(11)
[6]化生颗粒在人体微通道内悬浮运动的数值模拟研究[J]. 赵秀国,徐新喜,苏琛,任旭东,孟令帅. 军事医学. 2017(06)
[7]交流电场促进型微混合器设计[J]. 周腾,王瀚林,葛鉴,史留勇,张燕. 海南大学学报(自然科学版). 2017(02)
[8]有压差平板微通道内电渗流动换热的介观模拟[J]. 李天富,罗小平,易红亮,谈和平. 工程热物理学报. 2017(02)
[9]90°Y型汇流下小曲率矩形截面蛇形微通道气液两相流动特性[J]. 周云龙,杨美,孙振国. 高校化学工程学报. 2017(01)
[10]T型微混合器内混合强化的数值模拟[J]. 肖水云,李鸣,杨大勇. 应用数学和力学. 2016(03)
博士论文
[1]微流控芯片快速混合器及其应用研究[D]. 刘超.华中科技大学 2016
[2]陶瓷先驱体制备微流控芯片及其化学应用[D]. 任武荣.国防科学技术大学 2015
[3]微通道中流体扩散和混合机理及其微混合器的研究[D]. 王瑞金.浙江大学 2005
硕士论文
[1]基于交流动电效应的微混合器研究[D]. 刘华.华中科技大学 2017
[2]微通道内幂律流体电渗调控和热效应数值模拟研究[D]. 徐涛.南昌大学 2015
[3]基于PNP模型的平板微通道非牛顿幂律流体电渗流的数值模拟研究[D]. 申力.南昌大学 2015
[4]诱导电渗流的数值模拟与实验研究[D]. 秘晓静.中国计量学院 2014
[5]基于微流控芯片的微混合技术研究[D]. 房玉强.南京理工大学 2012
[6]微通道内纳米流体流动与传热特性的数值模拟[D]. 杨磊.哈尔滨工业大学 2008
本文编号：3121396
【文章来源】：燕山大学河北省
【文章页数】：70 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
T型和
第1章绪论-5-a)T型混合器b)R型混合器图1-4T型和R型混合器结构图[36]通过在混合通道中设置凹槽或者添加一些障碍物可以增加混合效率，这些凹槽或者障碍物会产生额外的扰动。王昆等人[38]进一步进行改造强化混合采用计算流体力学的方法研究了V型凹槽内3种不同阻块放置的混合器并对比其混合性能和能量消耗，如图1-5为引入凹槽的混合器。Hsieh[39]设计了一组内置阻块波浪形微混合器，研究结果表明可以有效地诱发混沌流，提高流体的混合效果。文献[40]给出了不同无源微混合器性能的对比表，由表可以得出，在无源混合器中添加障碍物、在壁面设置壁垒或改变混合器结构形状等，均可以有效提高混合效率。Strook[41]设计了骨型的微混合器，Fu[42]设计了SOR微混合器，均是通过在微通道内添加阻块，扰动流场并诱发混沌流增强混合效果。宋红军[43]通过改变管道内表面电势，得到一种新型的电渗微混合器-棋盘微混合器（如图1-6所示），结果表明混合效果显著增强。图1-5引入凹槽的混合器[38]图1-6棋盘微混合器的示意图[43]
第1章绪论-11-和电压频率有利于促进微通道中的溶液混合。图1-8微混合器设计示意图[68]图1-9非对称电极交流电渗微混合器的结构图[69]1.4本文研究目的和内容提高微流体系统的混合效率已经成为微混合研究的热点，并引起了学者的广泛关注。而现有研究主要针对混合器的结构形式，缺少对混合机制的研究。课题采用数值模拟的方法构建二维直通道和三维圆柱型微混合器模型，研究电极参数对混合效率的影响，并针对电渗混合参数进行优化研究，探讨电渗混合机理及流场控制方案，以提高微混合器模型的混合效率。本文研究内容主要包括：（1）微通道内流体流动理论基础介绍了微通道内流体流动理论基础，电渗流的产生机理、影响因素及应用，分析了微通道内流体流动特性包括流体混合机理和混合强度衡量指标，最后本文所采用的数值模型的物理场控制方程和边界条件；（2）二维直通道电渗微混合器数值模拟建立了直通道电渗微混合器模型并进行二维电渗微混合器的数值模拟，研究分析电极参数对涡流特性和混合效率的影响，电极参数包括电极电压、电极长度和电极频率，最后对电极参数进行优化，找到最合适的电极参数，使微混合器的混合效率达到最优；（3）三维圆柱型通道电渗微混合器数值模拟建立圆柱型电渗微混合器模型并进行三维电渗微混合器的数值模拟，研究分析了电渗流尝复合流场的形成机制及特性，并进一步探讨流场的控制方案；
【参考文献】：
期刊论文
[1]微通道混合器的研制及在微乳液制备中的应用[J]. 朱宝伟,陈红,刘海燕,冯若凡. 化学试剂. 2019(06)
[2]电渗排水固结中电极材料的对比试验[J]. 张雷,王宁伟,景立平,方晨,董瑞. 岩土力学. 2019(09)
[3]微通道技术在精细化学品合成中的应用[J]. 刘冰,杨林涛,刘东,闫士杰,马骏驰,鄢冬茂. 染料与染色. 2018(06)
[4]嵌有离子选择性膜的微通道内增强电渗流及除盐效应分析[J]. 刘伟,龚玲艳,朱育丹,李子瑞. 中国科学:技术科学. 2018(01)
[5]真空电渗技术对水厂污泥脱水过程中铝去除的试验[J]. 许航,王康,崔建峰,申昆仑,丁明梅. 净水技术. 2017(11)
[6]化生颗粒在人体微通道内悬浮运动的数值模拟研究[J]. 赵秀国,徐新喜,苏琛,任旭东,孟令帅. 军事医学. 2017(06)
[7]交流电场促进型微混合器设计[J]. 周腾,王瀚林,葛鉴,史留勇,张燕. 海南大学学报(自然科学版). 2017(02)
[8]有压差平板微通道内电渗流动换热的介观模拟[J]. 李天富,罗小平,易红亮,谈和平. 工程热物理学报. 2017(02)
[9]90°Y型汇流下小曲率矩形截面蛇形微通道气液两相流动特性[J]. 周云龙,杨美,孙振国. 高校化学工程学报. 2017(01)
[10]T型微混合器内混合强化的数值模拟[J]. 肖水云,李鸣,杨大勇. 应用数学和力学. 2016(03)
博士论文
[1]微流控芯片快速混合器及其应用研究[D]. 刘超.华中科技大学 2016
[2]陶瓷先驱体制备微流控芯片及其化学应用[D]. 任武荣.国防科学技术大学 2015
[3]微通道中流体扩散和混合机理及其微混合器的研究[D]. 王瑞金.浙江大学 2005
硕士论文
[1]基于交流动电效应的微混合器研究[D]. 刘华.华中科技大学 2017
[2]微通道内幂律流体电渗调控和热效应数值模拟研究[D]. 徐涛.南昌大学 2015
[3]基于PNP模型的平板微通道非牛顿幂律流体电渗流的数值模拟研究[D]. 申力.南昌大学 2015
[4]诱导电渗流的数值模拟与实验研究[D]. 秘晓静.中国计量学院 2014
[5]基于微流控芯片的微混合技术研究[D]. 房玉强.南京理工大学 2012
[6]微通道内纳米流体流动与传热特性的数值模拟[D]. 杨磊.哈尔滨工业大学 2008
本文编号：3121396
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