發(fā)布時間：2017-07-05 01:07

  本文關鍵詞：基于液液非均相體系的混沌微混合器研究與設計

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【摘要】：隨著微機電技術在化學化工、生物醫(yī)藥、環(huán)境工程等各個領域的推廣應用,相應的設備儀器也朝著微型化與集成化的方向發(fā)展。微混合器作為微流控芯片中的重要組成部分,具有混合效率高、易加工與控制、成本較低和集成性好等優(yōu)點,因此微混合器結構的開發(fā)設計逐漸成為國內外學者研究熱點之一。由于在微尺度條件下流體流動呈層流狀態(tài),流體混合主要依靠擴散作用,為達到快速高效混合的目的,將混沌混合機理引入微混合技術并形成了如鯡魚骨形、三維折疊形和鋸齒形等各種結構的混沌微混合器。本文基于液液非均相體系中液滴的形成與融合技術,將待混合的試劑包裹在液滴內部形成一個個獨立的混合區(qū)域,在液滴內循環(huán)以及微通道壁面剪切作用下誘發(fā)內部混沌混合效應,因此可達到快速高效混合的效果。本文針對液滴式微混合器的研究主要內容如下：(1)利用CFD數(shù)值模擬的方法研究十字型微通道中液滴的形成和融合過程,為研究液滴內部的混合過程奠定基礎。通過建立十字形微通道模型模擬水油兩相流,研究形成穩(wěn)定液滴流的參數(shù)條件和不同流型的分析控制。分別研究兩相流速、流體粘度和表面張力對形成液滴大小的影響情況,達到可以通過調整流體參數(shù)控制形成液滴大小與形成時間的目的。(2)建立三種不同結構的微混合器模型,分別為直通道、V形和U北京化工大學碩士學位論文形通道微混合器,采用流體體積函數(shù)(VOF)和標量方程法(UDS)模擬微混合器內的混合過程。利用標量示蹤劑濃度分析的方法比較三種微混合器的混合效果,并且通過分析內部壓降大小分析比較各自的能量消耗情況。此外,分析研究各微混合器中液滴內部的混合情況以及混合機理。(3)對V形微混合器內的混合機理以及結構優(yōu)化展開進一步的研究。通過正交試驗研究微混合器各結構參數(shù)對混合度以及壓降大小的影響,優(yōu)化該混合器結構使其滿足高效混合同時節(jié)省能耗的要求。由于流體物性參數(shù)也在很大程度上影響著液滴內的混合效果,分別研究了水含率、雷諾數(shù)以及毛細力準數(shù)對V形微通道混合效率的影響。(4)利用高速攝像機、微量注射泵以及十字型微通道芯片搭建實驗平臺,觀測油包水液滴的形成和融合過程,并探究流體參數(shù)(兩相流速比、連續(xù)相粘度)對形成液滴大小的影響。將實驗結果與模擬結果對照分析,得出二者有較好的吻合度,且實驗與模擬結果所得液滴大小隨物性參數(shù)的變化趨勢一致。本文的研究成果為利用液滴式微混合器進行試劑混合提供了一定理論依據(jù),也為微混合器的結構設計與優(yōu)化、操作參數(shù)的設定提供了一定的參考。
【關鍵詞】：微混合器 液滴 計算流體力學 混沌混合
【學位授予單位】：北京化工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TN492;TH-39
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-15
• 符號說明15-16
• 第一章 緒論16-28
• 1.1 課題研究背景及意義16-17
• 1.2 微混合器簡介17-24
• 1.2.1 微混合器的分類17-21
• 1.2.2 混沌微混合器21-23
• 1.2.3 微混合器的應用23-24
• 1.3 液滴式微混合器研究現(xiàn)狀24-27
• 1.4 本課題的研究內容27-28
• 第二章 液液非均相體系中流體流動特性28-38
• 2.1 液液非均相流體數(shù)值模擬研究28-32
• 2.1.1 十字微通道模型建立及參數(shù)設置28-29
• 2.1.2 模型及控制方程的選擇29-30
• 2.1.3 模擬結果30-31
• 2.1.4 十字微通道內液滴形成機制31-32
• 2.2 物性參數(shù)對液滴大小的影響32-37
• 2.2.1 水含率的影響32-33
• 2.2.2 連續(xù)相粘度的影響33-34
• 2.2.3 兩相表面張力的影響34-35
• 2.2.4 壁面接觸角的影響35-37
• 2.3 本章小結37-38
• 第三章 微混合器內流體混合過程與性能研究38-50
• 3.1 液滴內流體混合過程的數(shù)值模擬38-43
• 3.1.1 微混合器模型建立38-39
• 3.1.2 液滴內流體混合數(shù)值模擬39-40
• 3.1.3 液滴內混合程度分析40-41
• 3.1.4 微流道內壓降能耗分析41-43
• 3.2 混合機理研究43-47
• 3.2.1 微液滴內混沌混合現(xiàn)象43-45
• 3.2.3 液滴的內循環(huán)作用45-47
• 3.3 本章小結47-50
• 第四章 V形微通道混合器結構優(yōu)化與混合過程研究50-62
• 4.1 微通道結構參數(shù)對液滴內流體混合效果的影響50-55
• 4.1.1 V形微通道結構參數(shù)正交試驗50-52
• 4.1.2 彎道角度大小對混合效果的影響52-55
• 4.2 操作條件對液滴內流體混合效果的影響55-60
• 4.2.1 水含率的影響55-57
• 4.2.2 雷諾數(shù)的影響57-59
• 4.2.3 毛細數(shù)的影響59-60
• 4.3 本章小結60-62
• 第五章 十字型微通道液滴形成實驗62-72
• 5.1 實驗方法簡介62-65
• 5.1.1 實驗裝置及流程62-63
• 5.1.2 儀器設備63-64
• 5.1.3 實驗試劑64-65
• 5.2 實驗結果與討論65-71
• 5.2.1 微液滴形成過程65-66
• 5.2.2 液滴成型的影響因素分析66-69
• 5.2.3 實驗與模擬結果對照69-71
• 5.3 本章小結71-72
• 第六章 結論與展望72-74
• 6.1 結論72-73
• 6.2 展望73-74
• 參考文獻74-78
• 致謝78-80
• 研究成果及發(fā)表的學術論文80-82
• 作者和導師簡介82-83
• 附件83-84

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本文編號：519961