电磁力扰动作用下微管道中液体流动与混合的特性研究

【摘要】：微小机械装置,无论是在商业化应用还是在科学研究上都变得越来越普遍。而作为微电子机械系统(MEMS)的一个重要分支,微流体系统已得到了很大的发展和广泛的应用。微流体系统包括微传感器、微泵、微阀、微通道、微计量器等元件。微流体系统将采样、混合、反应、分离、检测等功能就集成到尽可能小的操作平台上,而对微升量级的液体的精确操控是实现微流体系统功能的核心和关键,微混合则是其重要环节之一。该过程通常是将两种或多种流体进行混合,而实际上对于仅用压力驱动的微流体管道中流动的Re很小,流动呈层流状态,相邻液体之间的混合方式主要依赖于扩散,而液体分子间的扩散系数大约是10-10m2/s,单独依靠分子扩散实现混合的效率很低,因此如何提高混合效率成为研究的主要目标。 本文给出了一种微管道中主动混合的方案,其基本原理是通过电磁力的作用,诱导微流道中流体发生二次流动,使流道中流体出现往复运动及流体界面的弯曲延伸,使不同流体的接触面积大大地增加,有利于扩散,从而提高混合效率。 采取试验研究与数值模拟相结合的方式对微管道中液体的流动与混合过程进行了研究。首先就电磁力对流动的影响进行了探索性研究,设计了一种小型的电磁力驱动混合装置,并进行了试验研究和数值模拟,两者结果相吻合。在此基础上设计了一种T形微混合器,对不同方式电磁力作用下的混合器中流体流动与混合过程进行了详细的研究。 试验研究过程中采用定性研究与定量研究相结合的方案。通过添加示踪剂的方法定性地研究电磁力对微混合器中流动的影响。采用先进的显微粒子图像测速系统(Micro Particle Image Velocimetry,简称Micro-PIV),对流体的流动与混合过程进行了详细的定量研究。在连续介质模型的基础上进行了数值模拟。数值模拟过程采用有限体积法耦合求解流动的N-S方程、电磁力的麦克斯韦方程以及组分方程,得到了混合器中流体的流动参数分布。 本文给出了评价微混合器中流体混合强度的性能指标,即通过分析在混合器某截面处不同流体的体积分数的方法,来评价混合的效率。并对不同的电磁力作用下的流体的混合情况进行了分析比较,在此基础上对微混合器进行了优化设计。 本文研究表明,电磁力对混合器中流体的流动状态起到了扰动作用,能有效地增强不同流体间的混合。另外通过对不同形式的电磁力及不同的电磁力扰动方式下流动状态的研究表明,电磁力对流场的扰动越复杂,不同流体间的混合效率越高。