【摘要】：近十年來微流控技術得到了高度的關注和飛速的發(fā)展,作為其中一種重要的研究分支,流體的快速混合技術能夠極大的提升試劑的分析速度,被廣泛地應用于生物化學等交叉領域。本文結合微流控技術,探討了微尺度下流體混合特征及常見微流體混合器的運用發(fā)展,針對低雷諾數(shù)下的層流混合難題,設計了兩種具有易于制造和簡單構型特點的微尺度快速混合器:交流電場下的電滲微混合器和具有非對稱側流壁面結構的被動式微混合器。主要研究結果如下:(1)設計了一種電場驅動的電滲微混合器。其結構的主要特點是具有一個類環(huán)形混合單元,這個類環(huán)形單元包含兩對呈現(xiàn)相反極性的電極,和一種收縮的非對稱壁面結構。基于橫向微管道結構的不對稱性,在不同濃度的流體并行進入混合單元后,在外部激勵電場的共同作用下,混合器內(nèi)流場發(fā)生較強的擾動。基于有限元方法和電滲效應,應用有限元仿真軟件構建微混合器模型,包括入口、出口、混合單元構型,分析流體混合機理和不同電場強度下該微混合器內(nèi)流場、濃度分布及電場分布規(guī)律,并通過計算流體混合指標,深入評價微混合器的混合性能。(2)設計了一種具有非對稱側流壁面結構的被動式微混合器。其結構的主要特征是混合單元內(nèi)的矩形直管道與圓弧形管道相接,在圓弧形管道上具有收縮的側流壁面�；谖⒘鲃永碚�,當流體流過彎曲管道時可在離心力的作用下產(chǎn)生Dean效應,這種疊加在主流之上的效應能夠打破微尺度下的層流混合狀態(tài),增強流體之間的對流作用。同時將90度直角壁面結構與彎管道相結合,在Dean渦旋消失之前流體重復轉彎,進一步促進流體的混合。基于有限元方法構建微混合器模型,包括入口、出口、混合單元構型,分析速度場及物質濃度分布規(guī)律,隨后通過數(shù)值計算,比較了具有非對稱側流壁面結構的被動式微混合器和普通“S”型結構的混合器在不同雷諾數(shù)下流場和濃度場的差異,發(fā)現(xiàn)雷諾數(shù)達到100時,具有收縮壁面的“S”型結構在較高主流速度的沖擊下仍舊可以保留完整的渦旋。最后評價了在不同雷諾數(shù)下兩種混合器的混合效率,通過對比得出具有非對稱側流壁面結構的被動式微混合器的混合性能要整體優(yōu)于普通“S”型結構的混合器.尤其是在雷諾數(shù)在30至100范圍時,前者的混合效率遠超后者。通過大量仿真結果對兩種微混合器的模型進行數(shù)值驗證.表明本文所建立的兩種微混合器具有較為優(yōu)越的混合效率,司時具有結構簡單、易于加工的優(yōu)勢,可為高效的微流控芯片的設計提供參考,在生物化工等領域具有積極的應用前景。
【圖文】：

１．２．１壓力驅動微混合器逡逑壓力場驅動的微混合器通常結構簡單．并且主．：ｇ「ｉ上有一個或者多夂側通道，逡逑如圖１．１，圖中為三種壓力場驅動通道，逡逑Ｉｎｌｅｔ邋Ｂ邐Ｖ＇５ｉｎ（ＵＪｔ｝邐ｖ；ｓｍ叫ｕ逡逑ａ邐；邋ｖ邋；邐ｂ邐Ｃ逡逑ｖ邐＇■邐＾邐．．．．逡逑＼邐Ｆｌｏｗ邐？ｉ0ｗ邋—■逡逑Ｉｆｌｉｃｔ邋Ａ邋－￣＊ｖ邐＾逡逑Ｖ＾ｓｉｎｊｕｉｔ）逡逑圖１．邋１三種基本壓力場驅動的微混合器通道構型（ａ－ｃ）邐（ａ）—個主通道和一個側邊通逡逑道：（ｂ）邋—個主通道和多個側邊通道；（Ｃ）相互交叉的十字通道逡逑Ｆｉｇ．邋１．１．邋Ｔｈｒｅｅ邋ｂａｓｉｃ邋ｃｈａｎｎｅｌ邋ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ｍｉｃｒｏｍｉｘｅｒ邋ｄｉ＇ｉｖｅｎ邋ｂｙ邋ｐｒｅｓｓｕｒｅ邋ｆｉｅｉｄｓ（ａ－ｃ）邋（ａ）邋ａ邋ｍａｉｎ逡逑ｃｈａｎｎｅｌ邋ａｎｄ邋ａ邋ｓｉｄｅ邋ｃｈａｎｎｅｌ；邋Ｃｂ）邋ａ邋ｍａｉｎ邋ｃｈａｎｎｅｌ邋ａｎｄ邋ｍｕｌｔｉｐｌｅ邋ｃｈａｎｎｅｌｓｉ（ｃ）邋ｔｗｏ邋ｃｒｏｓｓ邋ｃｈａｎｎｅｌｓ．逡逑典型的壓力場驅動微混合器是基于交替擾動，這是Ｄｅｓｈｍｕｋｈ等人１４６］在２０００逡逑年首先？用脈動徵泵引起流體的交替擾動。然后\，

本文編號：2711447