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交叉导流式微型混沌混合器的研究

刘素芬  
【摘要】:现代分析仪器的一个发展趋势就是设备的微型化、集成化与便携化。微流控芯片则主要以分析化学和分析生物化学为基础,以MEMS加工技术为依托,以微管道网络为结构特征,连接具有流体致动、控制以及检测等功能的元器件,是当前微全分析系统发展的重点。微混合器是一种重要的微流控器件,不但要实现不同试剂或试样分子级混合的功能,还应兼具结构简洁易加工,以及易于集成于微流控系统中,操作条件易于控制,设备体积小,内在安全性能好等特点。 本论文针对微尺度混合的特点,提出了一种以玻璃湿法刻蚀加工技术为基础,基于混沌对流混合机理的三维静态微混合器——SOR微混合器。通过在微管道内设置周期交替排列的导流块,轴向的压力梯度可产生横向的速度分量,诱发混沌对流。在流场数值仿真的基础上分析了SOR微混合器内速度场的分布规律。利用计算可视化和实验可视化技术相结合的研究方法,确定了最佳的结构参数,并分析了雷诺数对混合效果的影响。同时采用与相同横截面和长度的微直管道相比较的方法,来度量SOR微混合器的压力损失大小。以微混合器中三维速度场作为动力系统,采用拉格朗日跟踪法研究了SOR微混合器的混沌混合特征。研究结果表明:微管道内周期交替排列的导流块,完全可以诱发混沌现象来实现微尺度条件下的层流混合。SOR微混合器的结构简单,加工工艺与MEMS技术兼容,而且加工材料不限制于玻璃,为微流控系统中被动混合提供了一种新的选择。 论文的主要内容如下: 第一章,综述了微流控系统的背景以及相关知识,重点阐述了微流控系统典型器件——微混合器的分类及微尺度混合方法、加工技术以及主要研究进展,在此基础上提出论文的主要内容。 第二章,简述了微尺度流动特征以及微流体混合的物理本质,并对流体混沌混合过程中相关的基本概念进行了阐述。结合本课题研究的特点,提出了研究微流体混沌混合的方法。 第三章,针对微尺度条件下,低雷诺数层流混合的特点,提出了一种以玻璃湿法刻蚀加工技术为基础,基于混沌对流混合机理的三维静态微混合器——SOR微混合器,论述了微混合器的结构设计原理。详细阐述了微混合器的几何结构特点以及加工过程。 第四章,利用流场数值仿真技术直接对SOR微混合器进行数值模拟,求解两种物质混合时的对流—扩散模型。通过对微混合器内的流场进行数值模拟,可以得到微混合器内流场的速度矢量分布、任意空间位置上某种流体介质所占的质量百分比、压力分布等,分析了不同流动条件对混合效果的影响,得到了最佳的几何结构参数。 第五章,利用实验可视化技术对SOR微混合器的混合性能进行了综合分析,比


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