基于液液非均相體系的混沌微混合器研究與設(shè)計.pdf

1、隨著微機(jī)電技術(shù)在化學(xué)化工、生物醫(yī)藥、環(huán)境工程等各個領(lǐng)域的推廣應(yīng)用，相應(yīng)的設(shè)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(jié)構(gòu)的開發(fā)設(shè)計逐漸成為國內(nèi)外學(xué)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(kuò)散作用，為達(dá)到快速高效混合的目的，將混沌混合機(jī)理引入微混合技術(shù)并形成了如鯡魚骨形、三維折疊形和鋸齒形等各種結(jié)構(gòu)的混沌微

2、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(shù)，將待混合的試劑包裹在液滴內(nèi)部形成一個個獨(dú)立的混合區(qū)域，在液滴內(nèi)循環(huán)以及微通道壁面剪切作用下誘發(fā)內(nèi)部混沌混合效應(yīng)，因此可達(dá)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(nèi)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(nèi)部的混合過程奠定基礎(chǔ)。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

3、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(dá)到可以通過調(diào)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(jié)構(gòu)的微混合器模型，分別為直通道、V形和U形通道微混合器，采用流體體積函數(shù)(VOF)和標(biāo)量方程法(UDS)模擬微混合器內(nèi)的混合過程。利用標(biāo)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(nèi)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(nèi)部

4、的混合情況以及混合機(jī)理。
　　(3)對V形微混合器內(nèi)的混合機(jī)理以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化展開進(jìn)一步的研究。通過正交試驗研究微混合器各結(jié)構(gòu)參數(shù)對混合度以及壓降大小的影響，優(yōu)化該混合器結(jié)構(gòu)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(nèi)的混合效果，分別研究了水含率、雷諾數(shù)以及毛細(xì)力準(zhǔn)數(shù)對V形微通道混合效率的影響。
　　(4)利用高速攝像機(jī)、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