交叉導流式微型混沌混合器的研究.pdf

1、現(xiàn)代分析儀器的一個發(fā)展趨勢就是設備的微型化、集成化與便攜化。微流控芯片則主要以分析化學和分析生物化學為基礎，以MEMS加工技術為依托，以微管道網(wǎng)絡為結構特征，連接具有流體致動、控制以及檢測等功能的元器件，是當前微全分析系統(tǒng)發(fā)展的重點。微混合器是一種重要的微流控器件，不但要實現(xiàn)不同試劑或試樣分子級混合的功能，還應兼具結構簡潔易加工，以及易于集成于微流控系統(tǒng)中，操作條件易于控制，設備體積小，內在安全性能好等特點。 本論文針對微尺度混

2、合的特點，提出了一種以玻璃濕法刻蝕加工技術為基礎，基于混沌對流混合機理的三維靜態(tài)微混合器——SOR微混合器。通過在微管道內設置周期交替排列的導流塊，軸向的壓力梯度可產(chǎn)生橫向的速度分量，誘發(fā)混沌對流。在流場數(shù)值仿真的基礎上分析了SOR微混合器內速度場的分布規(guī)律。利用計算可視化和實驗可視化技術相結合的研究方法，確定了最佳的結構參數(shù)，并分析了雷諾數(shù)對混合效果的影響。同時采用與相同橫截面和長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作為動力系統(tǒng)，采用拉格朗日跟蹤法研究了SOR微合器的混沌混合特征。研究結果表明：微管道內周期交替排列的導流塊，完全可以誘發(fā)混沌現(xiàn)象來實現(xiàn)微尺度條件下的層流混合。SOR微混合器的結構簡單，加工工藝與MEMS技術兼容，而且加工材料不限制于玻璃，為微流控系統(tǒng)中被動混合提供了一種新的選擇。 論文的主要內容如下： 第一章，綜述了微流控系統(tǒng)的背景以及相關知識，重點闡述了微流控系統(tǒng)典型器件——微混合器的分

4、類及微尺度混合方法、加工技術以及主要研究進展，在此基礎上提出論文的主要內容。 第二章，簡述了微尺度流動特征以及微流體混合的物理本質，并對流體混沌混合過程中相關的基本概念進行了闡述。結合本課題研究的特點，提出了研究微流體混沌混合的方法。 第三章，針對微尺度條件下，低雷諾數(shù)層流混合的特點，提出了一種以玻璃濕法刻蝕加工技術為基礎，基于混沌對流混合機理的三維靜態(tài)微混合器——SOR微混合器，論述了微混合器的結構設計原理。詳細闡述了

5、微混合器的幾何結構特點以及加工過程。 第四章，利用流場數(shù)值仿真技術直接對SOR微混合器進行數(shù)值模擬，求解兩種物質混合時的對流—擴散模型。通過對微混合器內的流場進行數(shù)值模擬，可以得到微混合器內流場的速度矢量分布、任意空間位置上某種流體介質所占的質量百分比、壓力分布等，分析了不同流動條件對混合效果的影響，得到了最佳的幾何結構參數(shù)。 第五章，利用實驗可視化技術對SOR微混合器的混合性能進行了綜合分析，比較了不同結構參數(shù)、雷諾數(shù)

6、對混合效果的影響。由于微混合器自身的特點，我們采用間接對比的方法對實驗結果和仿真結果進行了比較，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)值模擬結果進行了比較。 第六章，采用周期性邊界條件，獲得SOR微混合器每個混合單元內精確的速度場分布，在此基礎上利用拉格朗日跟蹤技術分析流體物質線和物質面在混沌對流作用下的變形情況，并通過計算平均線拉伸來比較雷諾數(shù)對混沌混合效