【摘要】：隨著微流體系統(tǒng)的迅猛發(fā)展,微混合器作為微機(jī)電系統(tǒng)的重要組成部分和微流控芯片的前處理裝置得到了越來越多的關(guān)注和應(yīng)用。根據(jù)是否添加額外動(dòng)力源,微混合器可分為主動(dòng)式和被動(dòng)式兩類。相對于主動(dòng)式微混合器,被動(dòng)式微混合器由于不需要附加額外動(dòng)力源,只需通過改變微通道結(jié)構(gòu)形狀來形成混沌對流,即可提高流體的混合效率,因此被動(dòng)式微混合器是目前研究的主要方向。而通過優(yōu)化微通道結(jié)構(gòu)改變混合流體的流動(dòng)狀態(tài)是提高混合效率的最佳選擇。為進(jìn)一步提高微流控系統(tǒng)中微混合器的混合效率,基于非對稱分離重組和多方向渦系理論,本文提出了一種D型非對稱分離重組式微混合器。通過計(jì)算流體力學(xué)軟件ANSYS CFX研究了在不同雷諾數(shù)(Re=1~80)下,流道幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)以及混合單元個(gè)數(shù)對微混合器內(nèi)流體流動(dòng)特性和混合效率的影響。結(jié)果表明,該微混合器的最佳混合單元數(shù)為6個(gè),漸縮管的最優(yōu)方向?yàn)轫樦魍ǖ阑旌狭黧w流動(dòng)的相反方向。同時(shí),特殊的D型混合流道使流體在混合過程中形成擴(kuò)展渦和迪恩(Dean)渦系,并在流體的匯合處發(fā)生劇烈碰撞,實(shí)現(xiàn)渦系的疊加和強(qiáng)化。對于不同的D型流道寬度比而言,當(dāng)Re30時(shí),寬度比C=1.2時(shí)獲得最佳混合效率;當(dāng)30Re≤40時(shí),三種微混合器的混合效率差別不大;當(dāng)Re40時(shí),由于在C=1的微混合器內(nèi)產(chǎn)生的二次流最為明顯,所以其混合效率最高為96%左右。通過微機(jī)電加工工藝,以PDMS和Pyrex玻璃作為加工材料制作微混合器,其中PDMS為流道,Pyrex玻璃為蓋板。同時(shí)搭建試驗(yàn)臺,對非對稱D型分離重組式微混合器進(jìn)行混合實(shí)驗(yàn)。利用CCD相機(jī)拍攝混合穩(wěn)定狀態(tài)下的照片并與數(shù)值模擬狀態(tài)下的混合狀態(tài)圖進(jìn)行分析和對照。研究表明,D型混合流道內(nèi)的混合流體之間的碰撞隨著Re數(shù)的增加而越發(fā)劇烈,且其混合狀態(tài)與數(shù)值模擬所呈現(xiàn)的狀態(tài)有著良好的相似性。同時(shí),通過實(shí)驗(yàn)所測量得到的微混合器混合效率和壓降與數(shù)值模擬結(jié)果保持良好的一致性,從而進(jìn)一步證明了本文所采用的數(shù)值模擬方法的準(zhǔn)確性。
【學(xué)位授予單位】：江蘇大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TH69
【圖文】：

D 型 分 離 重 組 式 微 混 合 器 的 特 性 研 究混合器的尺寸較小，混合通常以層流的方式進(jìn)行，混合效率一直處于較要大量的研究和工作，從而改善并提高微混合器的混合效率和實(shí)際的使用流道結(jié)構(gòu)從而改變混合流體的流動(dòng)方式，加強(qiáng)對流強(qiáng)度并提高混合流體改善微混合器效率最簡便有效的方法之一。

江 蘇 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文板或阻塊是一種能使微流體產(chǎn)生混沌對流且相對容易實(shí)現(xiàn)的方法，如圖計(jì)了一種內(nèi)置帶有凹槽的菱形狀阻塊的微混合器，同時(shí)主要分析了其在雷的混合性能。微流體在混合的過程中，由于微流道內(nèi)阻塊的阻礙作用，體的流動(dòng)方向，同時(shí)與未受影響的微流體發(fā)生擾動(dòng)碰撞，從而產(chǎn)生混沌接觸面積。由于此類微混合器的平面式的設(shè)計(jì)方式，同時(shí)阻塊的高度與因此相對于其他被動(dòng)式微混合器，這種微混合器的加工更為簡單，并且微流控芯片當(dāng)中。

圖 1.3 交替人字形微混合器[20]Figure 1.3 The micromixer with different grooves[20]過模擬計(jì)算和實(shí)驗(yàn)的對照分析，該微混合器內(nèi)的混合流體在 Re=0~100 范圍內(nèi)均好的混合效果，同時(shí)微流道內(nèi)沒有任何阻塊和擋板結(jié)構(gòu)，因此相同雷諾數(shù)下的壓很小。nsari 等[21]基于混沌對流原理，設(shè)計(jì)了一種以 L 型結(jié)構(gòu)流道為混合單元并組合在一曲折式微混合器，如圖 1.4。由于 L 形混合單元末端的垂直彎曲結(jié)構(gòu)，迫使混合流向流動(dòng)并最終形成漩渦，有效地提高了微混合器的混合性能。雖然該類型微混合獲得較高的混合效率，但 3D 式的結(jié)構(gòu)使得加工變得相對于上兩種混沌對流式微加困難。而且由于該類微混合器的微流道結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不斷迫使混合流體改變流動(dòng)此混合流體的壓力損失較多，且隨著 Re 的增加而不斷增大。同時(shí)該類微混合器的推動(dòng)功，不利于實(shí)際應(yīng)用。因此，對于 3D 結(jié)構(gòu)的混沌對流式微混合器還有待的研究。

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本文編號：2770905