交叉導(dǎo)流式微型混沌混合器的研究.pdf

1、現(xiàn)代分析儀器的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)就是設(shè)備的微型化、集成化與便攜化。微流控芯片則主要以分析化學(xué)和分析生物化學(xué)為基礎(chǔ)，以MEMS加工技術(shù)為依托，以微管道網(wǎng)絡(luò)為結(jié)構(gòu)特征，連接具有流體致動(dòng)、控制以及檢測(cè)等功能的元器件，是當(dāng)前微全分析系統(tǒng)發(fā)展的重點(diǎn)。微混合器是一種重要的微流控器件，不但要實(shí)現(xiàn)不同試劑或試樣分子級(jí)混合的功能，還應(yīng)兼具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔易加工，以及易于集成于微流控系統(tǒng)中，操作條件易于控制，設(shè)備體積小，內(nèi)在安全性能好等特點(diǎn)。 本論文針對(duì)微尺度混

2、合的特點(diǎn)，提出了一種以玻璃濕法刻蝕加工技術(shù)為基礎(chǔ)，基于混沌對(duì)流混合機(jī)理的三維靜態(tài)微混合器——SOR微混合器。通過在微管道內(nèi)設(shè)置周期交替排列的導(dǎo)流塊，軸向的壓力梯度可產(chǎn)生橫向的速度分量，誘發(fā)混沌對(duì)流。在流場(chǎng)數(shù)值仿真的基礎(chǔ)上分析了SOR微混合器內(nèi)速度場(chǎng)的分布規(guī)律。利用計(jì)算可視化和實(shí)驗(yàn)可視化技術(shù)相結(jié)合的研究方法，確定了最佳的結(jié)構(gòu)參數(shù)，并分析了雷諾數(shù)對(duì)混合效果的影響。同時(shí)采用與相同橫截面和長(zhǎng)度的微直管道相比較的方法，來度量SOR微混合器的壓力損

3、失大小。以微混合器中三維速度場(chǎng)作為動(dòng)力系統(tǒng)，采用拉格朗日跟蹤法研究了SOR微合器的混沌混合特征。研究結(jié)果表明：微管道內(nèi)周期交替排列的導(dǎo)流塊，完全可以誘發(fā)混沌現(xiàn)象來實(shí)現(xiàn)微尺度條件下的層流混合。SOR微混合器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工工藝與MEMS技術(shù)兼容，而且加工材料不限制于玻璃，為微流控系統(tǒng)中被動(dòng)混合提供了一種新的選擇。 論文的主要內(nèi)容如下： 第一章，綜述了微流控系統(tǒng)的背景以及相關(guān)知識(shí)，重點(diǎn)闡述了微流控系統(tǒng)典型器件——微混合器的分

4、類及微尺度混合方法、加工技術(shù)以及主要研究進(jìn)展，在此基礎(chǔ)上提出論文的主要內(nèi)容。 第二章，簡(jiǎn)述了微尺度流動(dòng)特征以及微流體混合的物理本質(zhì)，并對(duì)流體混沌混合過程中相關(guān)的基本概念進(jìn)行了闡述。結(jié)合本課題研究的特點(diǎn)，提出了研究微流體混沌混合的方法。 第三章，針對(duì)微尺度條件下，低雷諾數(shù)層流混合的特點(diǎn)，提出了一種以玻璃濕法刻蝕加工技術(shù)為基礎(chǔ)，基于混沌對(duì)流混合機(jī)理的三維靜態(tài)微混合器——SOR微混合器，論述了微混合器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理。詳細(xì)闡述了

5、微混合器的幾何結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及加工過程。 第四章，利用流場(chǎng)數(shù)值仿真技術(shù)直接對(duì)SOR微混合器進(jìn)行數(shù)值模擬，求解兩種物質(zhì)混合時(shí)的對(duì)流—擴(kuò)散模型。通過對(duì)微混合器內(nèi)的流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，可以得到微混合器內(nèi)流場(chǎng)的速度矢量分布、任意空間位置上某種流體介質(zhì)所占的質(zhì)量百分比、壓力分布等，分析了不同流動(dòng)條件對(duì)混合效果的影響，得到了最佳的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)。 第五章，利用實(shí)驗(yàn)可視化技術(shù)對(duì)SOR微混合器的混合性能進(jìn)行了綜合分析，比較了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)、雷諾數(shù)

6、對(duì)混合效果的影響。由于微混合器自身的特點(diǎn)，我們采用間接對(duì)比的方法對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果進(jìn)行了比較，證明了我們用數(shù)值仿真方法研究SOR微混合器是可行的。采用重力法研究了SOR微混合器與微直管道的壓力損失，并與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行了比較。 第六章，采用周期性邊界條件，獲得SOR微混合器每個(gè)混合單元內(nèi)精確的速度場(chǎng)分布，在此基礎(chǔ)上利用拉格朗日跟蹤技術(shù)分析流體物質(zhì)線和物質(zhì)面在混沌對(duì)流作用下的變形情況，并通過計(jì)算平均線拉伸來比較雷諾數(shù)對(duì)混沌混合效