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微通道中流体扩散和混合机理及其微混合器的研究

王瑞金  
【摘要】:本文是以数值模拟为主对影响微通道中流体扩散和混合规律的因素进行研 究,并在此基础上设计出高效率的微混合器。 首先,在介绍微通道在流体扩散和混合规律的应用背景和研究状况的基础 上,利用流体力学的基本方程,对通道宽度在50-500微米的微通道中流体扩散 和混合进行数值模拟和实验研究,模拟结果显示:Reynolds数对扩散具有决定性 的影响,Reynolds数越大,扩散越小,混合越不充分。此外,T-sensor的结构参 数对扩散的效率有很大影响,如扩散通道宽度小时扩散快,入流角度大时扩散快, 弯曲通道的扩散和混合效果比直通道要好得多。扩散尺寸/通道深度(d/w)对扩 散也有一定的影响,当(d/w)较大时,沿w的浓度分布明显为抛物线,此时上 下壁面的影响是主要的;反之,当d/w较小时,沿d、w二个方向的速度分布都 为抛物线,上下左右壁面影响都不可忽略。实验研究结果部分验证了数值模拟结 果。 其次,在介绍和了解微混合器的原理和混沌混合理论的基础上,根据马蹄型 混沌对流循环的理论设计了一种新型的螺旋式微混合器,为说明其混合效果,对 不同组分流体在分合式微通道中的扩散和混合进行了数值模拟,结果发现在小 Reynolds数下,由于流体分层增加了接触面积,大大加快了流体混合的速度,其 混合效果不仅比直通道,而且比蛇形通道明显好。随着Reynolds数的增大,对 流作用得到加强,分合式通道的混合效果与直通道相比提高更明显,但与蛇形通 道相差无几,所得结果为微流芯片的被动式混合提供了一种新的形式。同时还设 计了一种主动式磁性混合器,分析了影响其混合效果的主要因素。 第三,为了解和解决毛细管电泳通道接头带来的ζ势的变化和管径变化对 毛细管电泳分离效率和采样的影响,分别利用流体力学的全N-S方程(把电场 力考虑为体积力加到方程内),结合电势方程,对毛细管内的流场进行数值模拟, 结果显示:在ζ势较小的情况下,由于速度剖面的内凹不明显,这时ζ和尺寸 的增大对速度剖面的畸变影响不大,但是在ζ势较大的情况下,由于沿程反向压


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