王小章;王朝晖;张明;王敬
【摘 要】The structure and performance of micromixer with "Y"type channel was investigated with computed fluidic dynamics and digital image process. The influences of micromixer such as inlet angle, channel size, and flow velocity of fluid on mixing process, were analyzed. Numerical simulation results reveal that a suitable mixing can be achieved in a microchannel mixer with an inlet angle of 60°, the width of 200 μm, and the in-flow velocity of 0. 02 m/s. Numerical simulations were also executed to compare the performance of mixers such as twisted, blocked, and straight channel. The results indicate that the blocked channel mixer has higher quality than its counterparts. According to the numerical results, a new mixer with convex block arrays on two-side walls was adopted, which can accelerate mixing process by squeezing and spreading the streamline of fluids repeatedly. The new mixer was fabricated with MEMS techniques and mixing experiments were carried out to verify the results. Mixing process was also observed. The recorded ima
ges were processed and the specific index of fluid mixing along the flow axis was identified according to the constructed standard curve in advance. The identified results validate the performance superiority of the new mixer. In the end, the errors in mixing results were analyzed to find their sources, and some useful advice was also proposed to improve the performance of the experiments.%利用计算流体力学和数字图像处理技术,研究“Y”型通道式微混合器的结构及混合性能,分析了混合器结构尺寸和流动条件对混合过程的影响.数值模拟结果表明,在混合通道入口夹角为60°、通道宽度为200 μm、注入速度为0.02 m/s的流动条件下,可以取得比较满意的混合效果.利用数值模拟对比了扭曲通道混合器、导流块和直通道结构对混合过程的影响,结果表明使用导流块可以显著提高混合效果.依照模拟计算结果,设计并用MEMS工艺制作了双侧壁有内肋块的通道式微混合器,并进行了流体混合实验,观测了混合过程.拍摄混合实验图像,对比标准浓度-图像灰度关系曲线后识别出拍摄点混合指数.识别计算的结果也证实了所设计混合器性能上的优越性.最后对实验结果误差进行了分析,说明了误差来源并给出了相应的改进措施. 伞下一肩雨
【期刊名称】《纳米技术与精密工程》
【年(卷),期】2011(009)006
【总页数】6页(P555-560)
风险投资论文【关键词】微流控芯片;微混合器;微流体;MEMS枭之城
【作 者】王小章;王朝晖;张明;王敬
【作者单位】西安交通大学机械工程学院,西安 710049;西安交通大学机械工程学院,西安 710049;机械制造系统工程国家重点实验室,西安 710049;西安交通大学机械工程学院,西安 710049;机械制造系统工程国家重点实验室,西安 710049;西安交通大学机械工程学院,西安 710049
【正文语种】中 文
玉龙铜矿
【中图分类】TH815
微流控芯片作为一种新型的测试器件，具有小消耗、大通量、高效率和低成本等优点，已经开始应用于化学分析、生物检测和环境监测等领域.微混合器作为微流控芯片上的主要功能部件，用于实现微小尺度下两种或多种流体的快速混合、反应，并实现所期望的检测结
果.由于尺度效应的作用，微尺度下流体混合主要依赖流体分子间的相互扩散来实现[1]，需要较长的混合时间和流动距离，效率低下且不适合芯片式快速检测的应用.为此，研究人员设计了多种原理、结构以及动作方式的微混合器，以提高混合效率.
按照微混合器的工作原理，可以分为主动式和被动式微混合器.前者主要利用外加电场[2]、磁场[3]、超声场[4]、表面声波[5]以及机械搅动[6]等方式来增强流体分子间的接触和扩散，促进混合过程加速进行；后者则没有外加能量作用，依靠混合器的内部结构使流体流动迹线发生弯折、重叠、交叉，从而增加流体间的接触面，提高分子间的扩散并加速混合.被动式混合器的结构有直通道型[7]、分流型[8]、混沌型[9]、鱼骨型[10-11]以及旋流型[12-13]等.相比于主动式混合器，被动式混合器具有结构简单、制造工艺简化、集成性高等优点，在微流控芯片上获得比较广泛的应用.对于被动式混合器的研究，需要解决混合效率与器件结构、制作工艺间的矛盾.结构复杂的混合器(如分流型、混沌型和鱼骨型等)具有较高的工作效率，但存在着制作技术要求、工艺复杂及制作成本高的缺点，并且不易实现同芯片检测模块的集成化设计和制作.结构简单的混合器(如直通道型)又由于工作效率低，也难于满足实际应用.本文的研究工作是用于集成式微型化学发光检测芯片的被动式混合器，需要设计高效的混合器结构，具有制作工艺简单、成本低的特点，并可实现芯片设计和制作的集
成化.本文研究一种“Y”型直通道型微混合器的结构及性能.利用数值模拟方法研究不同结构参数和工作条件下，“Y”型微混合器能够达到的混合性能，并对其结构和工作条件进行设计，以提高其混合性能.采用微制造工艺制作微混合器，进行微流体混合实验，并使用图像处理方法研究其混合性能，通过对比实验验证微混合器设计结果的可行性及正确性.
1 微混合器设计
微流控芯片中常用的“Y”型直通道微混合器，如图1所示，待混合流体从两个入口分别流入，经过主混合通道后实现混合过程并流出.能够影响混合过程的因素主要有：入口夹角α、宽度W、长度L、高度H.由于微尺度流体混合的扩散过程主要发生在宽度方向上，因此高度H的影响暂不进行讨论.研究表明，微通道中的流体运动依然遵循质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律[1].为分析结构参数对混合过程的影响，用计算流体力学软件Fluent对混合过程进行模拟计算，并用混和指数法来描述混合性能.混合指数法通过计算混合溶液截面上的溶质标准差来衡量流体介质分布的均匀程度.混合越均匀，标准差就会趋向于0；反之，则标准差为0.5.混合指数的计算详见文献[14].
图1 “Y”型混合器简图
1.1 结构参数选择
网络品牌传播
图2 不同通道宽度的混合模拟结果
按照扩散混合理论，分子间扩散需要一个过程.因此，流动混合需要经过一定距离(时间)才能实现有效混合.微混合器设计就是要选择合适参数，以减少混合距离，提高效率.为方便计算，论文选取两种相同液体进行数值计算，即两种液体具有相同密度、黏性、扩散系数和导热系数等物理属性.对不同通道宽度的混合模拟结果如图2所示.图中给出的是两种不同流体入口速度条件下，混合器内不同截面上两种流体的混合指数的变化过程.从图中可以看出，随通道宽度变小，混合指数不断降低，表明混合效果越来越好；图中结果还表明，微尺度通道内流体混合时的入口速度越低，混合效果越好.这些结果都同分子扩散混合的理论相一致.减低入口速度，可以在一定的混合长度上获得更高的混合效果.对比两幅图中的混合指数，可以看出选用200 μm通道宽度和0.002～0.02 m/s的流入速度可以获得较满意的混合长度.
入口夹角α对两种流体的混合过程也有显著影响，图3给出了不同入口角度情况下的模拟结果.图 3(a)为0.02 m/s的流入速度时不同夹角的混合器的混合指数，可以看出夹角过大或过
街头篮球2v2
小都会使混合效果下降，混合长度延长.图3(b)为流入速度为0.002 m/s时的混合情况，此时的混合指数基本上趋于一致，说明在小流入速度时夹角α的影响变小.由于此时的流动速度很低，虽能取得较高的混合效果，但整体效率很低.综合图中结果，入口夹角取30°时可获得一个很好的混合效果.
图3 不同入口角度的混合模拟结果
1.2 混合器通道形状的影响
为了提高效率减少混合长度，同时设计了几种可以加快混合过程的通道形状，如图4(a)所示.通过将通道折弯、增加内部导流块的方式，可以使流体流动迹线发生改变，增大接触面并加快扩散和混合.一种方式将直通道折弯，通过流体在弯道流动迹线的变化来增强混合，如图中的“Z”形和圆弧形折弯.另一种方式是在通道内部设置导流块，以导流块对混合流体进行流线弯曲、挤压和重叠等方式来实现混合过程加速.论文主要在混合通道约1/3处设置了方形、三角形、圆形导流块；同时在通道侧壁上设置了突出肋块，对流体流线进行挤压、弯曲以促进混合.所设置的导流块和内肋块，占用混合通道宽度的一半，并设置在距离混合通道入口1/3 L的位置.
图4 混合通道形状及其对混合效果的影响
图4(b)给出的是图4(a)中各类混合通道和直通道混合器的混合效果对比.模拟结果表明，弯曲混合通道和设置导流块能够有效增强混合效果，缩短混合长度.其中，“Z”形弯折和内肋块通道的混合效率比较高，大约比直通道的混合距离缩短2/3以上.在50 mm的混合长度上，内肋块型通道可以获得约0.36的混合指数，“Z”形弯折通道约为0.38，远远高于其他几类.由此可见，内肋块型混合通道的混合效率最高.需要说明的是，图中给出的混合指数是仅设置一个弯折或导流块后得出的，排列多个结构能显著提高混合效率.
按照模拟计算的结果，选用内肋块型微混合器，并在通道两侧壁相对排列肋块以增强混合效果，见图5.所设计的微混合通道总长40 mm，宽度1 mm，内肋块为600 μm×600 μm正方形，间距2.5 mm，相对排列于两侧壁上.通道宽度选择为1 mm，主要是考虑到制造工艺的要求.窄小的混合通道可以提高混合效率，但对制造工艺及设备要求较高.考虑到实际加工设备等因素，选用了较大宽度的微通道，并将内肋块加高到600 μm，以补偿宽通道的损失.
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议