本文關(guān)鍵詞： 微流控芯片 微液滴 混沌對(duì)流 快速混合 迪恩渦 旋轉(zhuǎn)擾動(dòng)　出處：《河北工業(yè)大學(xué)》2016年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：隨著微機(jī)電系統(tǒng)的迅速發(fā)展,流體控制器件的微型化、集成化成為重要的研究方向之一。微流控芯片主要應(yīng)用于生命科學(xué)、分析化學(xué)等領(lǐng)域。在這些領(lǐng)域中反應(yīng)是十分重要的單元操作,充分的混合是實(shí)現(xiàn)微流控器件功能的重要條件。快速均一混合對(duì)于化學(xué)合成、生化分析、藥物輸送、核酸測序或合成等領(lǐng)域中的微流控系統(tǒng)具有重要的意義。微流體以層流或低雷諾數(shù)為主要流體特征,分層不摻混的流動(dòng)造成了混合困難。微混合器和微混合技術(shù)的引入給微流體快速高效混合帶來了突破性的發(fā)展。尤其是,微液滴混合技術(shù)以分散的液滴單元作為密閉的微反應(yīng)器,具有快速、高效、易控制和易集成的特點(diǎn),成為微流體混合技術(shù)的研究重點(diǎn)之一。本文采用數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的方法,研究了微流體內(nèi)層流混合困難的問題,提出了基于正弦變截面微通道的液滴快速均一混合方法。利用正弦變截面微通道的幾何結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了不同維度渦系間的共同作用,從而強(qiáng)化流體通道內(nèi)的擾動(dòng)達(dá)到充分混合;利用自主設(shè)計(jì)、封裝的聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane,PDMS)微混合器芯片,在微米尺度范圍內(nèi)開展液滴生成與混合實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真分析結(jié)果吻合較好,進(jìn)一步驗(yàn)證了高效微混合器開發(fā)的可行性。主要研究以下幾方面內(nèi)容:(1)建立T型微通道二維幾何模型,對(duì)兩相流流場(不可壓縮流體的NaiverStokes方程)和溫度場(能量守恒方程)進(jìn)行耦合求解,揭示了T型通道內(nèi)的液滴生成機(jī)理及連續(xù)相流速、連續(xù)相粘度對(duì)液滴生成的影響規(guī)律。(2)建立了微混合過程中的濃度傳輸方程,揭示了擴(kuò)散混合和對(duì)流混合的機(jī)理,提出了增強(qiáng)微混合的有效途徑。研究表明,混沌對(duì)流混合是微尺度下增強(qiáng)相溶兩相流體混合效果的最佳方法。同時(shí)建立了微混合器性能的定量評(píng)價(jià)指標(biāo),為后續(xù)混合性能的定量評(píng)價(jià)奠定基礎(chǔ)。(3)在液滴生成數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上,將二維通道模型中的對(duì)流擴(kuò)散方程與兩相流水平集方程進(jìn)行耦合求解,得到了正弦變截面微通道中液滴內(nèi)混合組分濃度變化規(guī)律。在正弦變截面微通道中,利用液滴生成時(shí)通道入口處的旋轉(zhuǎn)擾動(dòng)作用、變截面效應(yīng)和不對(duì)稱循環(huán)流三者的共同作用,顯著增強(qiáng)了液滴內(nèi)的混合效果。在20s-30s內(nèi),液滴內(nèi)的混合指數(shù)即可達(dá)到0.9以上,實(shí)現(xiàn)了快速高效混合。(4)分析了基于正弦變截面微通道中連續(xù)相流速、液滴的長度、正弦通道波長與振幅的比值、波長與振幅的乘積等結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)液滴內(nèi)混合指數(shù)的影響,揭示了其對(duì)液滴混合效果的影響規(guī)律。(5)基于自主設(shè)計(jì)加工的PDMS微混合器芯片,利用T型通道法在微混合器內(nèi)生成均一穩(wěn)定的液滴,并利用液滴成功包裹酵母菌。在此基礎(chǔ)上開展了基于微液滴的快速混合實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)合仿真分析結(jié)果,分析了入口形式、兩相流率比、液滴尺寸、振幅與波長的乘積、波數(shù)對(duì)混合效率的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真分析結(jié)果吻合較好,驗(yàn)證了基于微液滴的快速混合機(jī)理和仿真模型的有效性。通過對(duì)微通道中液滴內(nèi)相溶兩流體快速均一混合的理論分析、仿真研究和大量的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,利用自主設(shè)計(jì)、封裝的微混合器芯片,基于液滴的快速微混合技術(shù),通過液滴的形變、液滴內(nèi)的不對(duì)稱循環(huán)流及入口旋轉(zhuǎn)擾動(dòng),在幾十秒內(nèi)可實(shí)現(xiàn)液滴內(nèi)不同流體的快速均一混合。
[Abstract]:With the rapid development of MEMS, micro fluid control devices, integration has become one of the important research direction. The microfluidic chip mainly applied in life science, analytical chemistry and other fields. The reaction in these areas is a very important unit operation, sufficient mixing is an important condition to realize the function of micro fluidic devices. Fast uniform mixing for chemical synthesis, biochemical analysis, drug delivery, plays an important role in microfluidic system or synthetic nucleic acid sequencing and other fields. The micro fluid in a laminar flow or low Reynolds number as the main characteristics of fluid, flow stratified mixing caused difficulties. Hybrid micro mixer and micro hybrid technology is introduced to the micro fluid fast efficient mixing brings a breakthrough in the development. Especially, the droplet droplet unit mixing technology to disperse as closed micro reactor, with fast, efficient, easy to control and easy to set The characteristics, becomes one of the focuses of micro fluid mixing technology. This paper uses the method of numerical simulation combined with experimental study, to study the micro flow in laminar mixing difficult problem, proposed the droplet fast homogeneous method of sine tapered micro channel based on geometric structure. Using sinusoidal variable cross section micro channel to achieve the interaction between the different dimensions of the vortex, thereby strengthening the fluid channel disturbance to achieve full mixing; using independent design, package two polydimethylsiloxane (polydimethylsiloxane, PDMS) micro mixer chip, carry out experimental study on droplet formation and mixing in the micro meter scale. The experimental results and the simulation results are in good agreement, further to verify the feasibility of micro mixer development. The main research contents as following: (1) the establishment of T type micro channel two-dimensional geometry model of two-phase flow (not The NaiverStokes equation of compressible fluid) and temperature (energy conservation) coupling droplet formation mechanism of type T in the channel and reveals the flow velocity of the continuous phase, influence of continuous phase viscosity on the droplet generation. (2) the establishment of a micro concentration transmission during the mixing process, diffusion and convection mixed reveal the mechanism, put forward an effective way to enhance the micro mixing. The results show that chaotic convective mixing is the best way to dissolve the effect of two-phase enhanced micro scale. At the same time established a quantitative evaluation index of Micromixer performance, lay the foundation for subsequent quantitative evaluation of the mixing performance. (3) generated based on mathematical model in the droplet, the two-dimensional convection diffusion equation in channel model and two-phase set equation solved by coupling the horizontal flow, the sinusoidal variable cross section micro channel drops in the mixed component concentration variation in the positive. String variable section in the micro channel, by rotating the disturbance of droplet formation at the entrance channel, the interaction of variable cross-section effect and asymmetric circulation flow, enhance the mixing effect of droplets. In 20s-30s, you can drop in the mixing index reached more than 0.9, to achieve fast and efficient hybrid (. 4) based on the analysis of sinusoidal variable cross-section in the micro channel continuous phase velocity, droplet length, ratio of length and amplitude of the sinusoidal channel, wavelength and amplitude effect of product structure parameters on the droplet mixing index, reveals its influence to the droplet mixing effect. (5) self design and processing the PDMS chip based on Micro mixer, using T type channel method in micro mixer to generate droplets of uniform and stable, and the droplet successfully wrapped yeast. On the basis of experiment were carried out to study the rapid mixing of water droplets. Based on the analysis combined with simulation Fruit, analysis of the entrance, two phase flow, droplet size, product of amplitude and wavelength, wavenumber effect on mixing efficiency. The experimental results and the simulation results are in good agreement, to verify the effectiveness of the rapid mixing mechanism of micro droplet and based on simulation model. Based on the micro channel inside the droplet phase theoretical analysis of mixed two fluid fast uniform, simulation study and experimental verification, the use of independent design, micro mixer chip package, droplet rapid mixing technology based on the deformation of the droplet droplet in the asymmetric circulation and entrance rotational perturbations in dozens of seconds can achieve rapid mixing of different fluids homogenization the droplet.

【學(xué)位授予單位】：河北工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TH-39

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本文編號(hào)：1477814