交叉导流式和超声振动式微混合器的机理分析复习进程.docx

此文档收集于网络，如有侵权请联系网站删除

浙江大学硕士学位论文 摘要

摘要

微混合器是微流体系统的重要组成部分，在医药、化工、石油、材料和仪器 仪表等行业中应用前景广阔。如何实现微尺度下的高效混合是目前的研究热点之 一，虽然实现微混合的方法多种多样，但是还没有形成统一的理论，微混合器的 设计缺乏有力的理论指导。由于微混合器的尺寸微小、制造困难，其实验耗资大， 而且获得的数据有限，因此，本文借助FLUENT软件，采用数值模拟方法，分 析不同参数对交叉导流式和超声振动式徼混合器混合效果的影响，揭示微混合器 实现快速混合的机理，为此类微混合器的设计和优化提供指导。
首先，考察了不同结构参数对交叉导流式微混合器混合性能的影响。通过建 立一系列交叉导流式微混合器的数值模拟模型，对横截面上液体质量百分比的等 值图、横向速度分布与大小、混合浓度标准差及压力损失四方面进行了分析，研 究得出入口方向和导流块与微混合器高度的比值对微混合器的混合性能具有较 大的影响，而导流块偏置度对微混合器的混合性能的影响相对较小。
其次，建立了出口截面混合浓度标准差和入口方向、导流块与微混合器高度 的比值及导流块偏置度三者之间的函数关系式，使连续求解出口截面的混合浓度 标准差成为可能，为利用数学运算进行此类微混合器的优化奠定了基础。
再次，基于文献报道的实验装置和实验条件，开展了气泡超声振动诱导微混 合的数值模拟。借助面板运动简化模拟模型，避免了解决多相的难题；采用直接 模拟法，分析了单个振动周期的流体速度矢量图，得到超声振动会影响流体各个 方向的速度。分别提取并拟合单个振动周期的压降和出口平均速度数据，发现微 混合器的压降和出口平均速度与超声振动成同步或异步变化。超声振动不但提高 了流体间的对流，而且导致流体间不断交替产生压缩与拉伸作用，从而大大提高 了微混合效率。

关键词：微混合器；交叉导流式；超声振动式；数值模拟；混合机理

此文档仅供学习和交流

ABSTRACT

Micromixers are ail important part of the microfluidic system，which have been applied in the medicine，chemical，oil，material and other industries．So in the world one of hot topics is how to mix efficiently within micromixers．Although there are a variety of ways to micromix，a unified theory of micromixing，which is important for the design of micromixers，has not yet been formed．Since micromixers，relatively small，are manufactured hard，the cost of the experiment，from which the data
obtained is limited，is large．Thus in this paper,in virtue of the software FLUENT,the mixing mechanisms of staggered oriented ridges micromixers and ultrasonic vibration micromixers were studied by numerical simulation,and the influences of different parameters on mixing results were analyzed，which would lay a foundation for the optimization and design of micromixers．
First of all，the influences of different geometric parameters on mixing efficiency of staggered oriented ridges micromixers have been studied．The mass fraction contour of species in some planes，transverse velocity components，the standard deviation of one species concentration and pressure drop have been discussed tO show
that the inflow direction and the ridge height ratio are two of the factors that influence the homogenization of the two fluids，whereas asymmetry index of the ridge have little influence on the mixing performance．
Secondly，an important function of the standard deviation of the concentration about geometrical parameters(the inflow direction,the ridge height ratio and asymmetry index of the ridge)is obtained,which makes the standard deviation of the concentration be calculated continuously possible and lays a foundation for the optimization and design of micromixers by math calculations．
Thirdly,numerical simulation of the micromixing induced by ultrasonic vibration
of sidewall-trapped microbubbles based on the reported experimental apparatus and
conditions has been explored．A simplify model of the microchannel，via using
moving panels avoiding the complexity of simulating the multi—phase problem，has been employed．Direct simulation method has been used to fully solve the Navier-Stokes equations to plot the velocity vector distributions of one vibrating period．The results showed that velocities of flows were influenced by ultrasonic vibration．Simultaneously,the data of the outlet velocity and pressure drop were
i；i

浙江大学硕士学位论文 ABST眦

extracted and fitted to detailedly study the influences of the ultrasonic vibrations on fluid flow in microchannel-changing with the ultrasonic vibration in synchronous or asynchronous．The convection of fluids was improved by ultrasonic vibrations，and
the stretching force and the compressive force were produced alternately contributing
to the mixing efficiency．

Keywords：Micromixer；Staggered Oriented Ridges；Ultrasonic Vibration；Numerical
Simulation；Mixing Mechanism

浙江大学硕士学位论文 致谢

致谢

转眼间，两年半的研究生生活已接近尾声，我也即将踏入社会开始新的征程。 回顾二十年的求学历程，感慨颇多，一路走来，离不开自身的辛勤努力，更离不 开亲人的支持和老师同学的鼓励与帮助。
首先要感谢我的导师许忠斌教授。在两年半的硕士期间，许老师在学习和生 活等各方面都给予了我很大的帮助。许老师敏锐的恩维、严谨的学术态度、低调 务实的做事风格和认真负责的精神，使学生获益颇丰，已经并将永远深深地感染 和影响着我。在学位论文完成之际，谨向许忠斌导师致以最诚挚的敬意和衷心的 感谢!
再次要衷心感谢贺世正教授和杨健副教授。许老师出国期间，刚刚踏入浙江 大学的我得到贺老师和杨老师的热心帮助和友好关照，使我尽快适应并融入到了 浙大的研究生生活中。同时，要感谢叶建军师兄和唐萍师姐。叶师兄和唐师姐对 我的课题进展和研究工作给予了莫大的帮助。
衷心感谢课题组杨碉师妹、曹佳培师弟和章日超博后等在各方面对我的支 持，感谢已经毕业的孔维维师姐和周明星师兄的帮助与合作。有缘与王建凯、刘 锦涛等同学，共同努力，共同学习，倍感荣幸!
感谢我的室友万先平、李牧声和蔡翠平，快三年的融洽相处，给我的硕士生 活里增添了很多的欢声笑语。
感谢我的家人朋友一直对我的支持与鼓励，正是你们的默默关心，才使我能 够全身心投入学习并顺利完成学业。
祝愿所有指导、关心和帮助过我的人永远健康幸福!同时，感谢参加论文评

审和答辩的各位专家、学者!

本文得到国家自然科学基金(NO．51073139)和浙江省重大科技专项工业项 目(2007C11054)的资助，特此感谢!

李春会

二零一一年一月于求是园

浙江大学硕士学位论文 绪论

1 绪论

1．1引言

微机电系统MEMS(Micro Electro．Mechanical Systems)是集微型机构、微 型传感器、微型执行器、信号处理和控制电路、接口以及电源等于一体，能完成 特定功能的微型器件或微型系统。其两个基本特征是微小尺度与系统集成，具有 体积微小、能耗低、方便进行微细操作以及可批量生产等优点l¨。微机电系统是 多学科交叉的新兴领域，不仅仅是传统机械在尺度上的微小型化，而是基于现代 科学技术，并作为纳米科学技术的重要组成部分，受到世界各国政府和科技部门 的高度重视[2-41。
微混合器是微流体系统的重要组成部分。在生物医药与生物化学领域，它不 仅应用在DNA的提纯与排序、蛋白质折叠与聚合酶链式反应，而且用于药物的 快速混合与微量注射；在传统的化学工程与反应过程，它可替代传统反应器，提 高反应速度、减小设备体积等，而且在微流控芯片系统或芯片实验室中，为复杂 化学反应的快速均匀混合起不可替代的作用【5一。微混合器的研究是理解微尺度 传递的基础，．是当今国际研究的前沿领域。
常规的流体混合过程，从宏观上讲，是在非均相混合物产生的微细区域分散 结构基础上，借助浓度梯度产生的传质过程，利用流体相邻微区间的分子扩散作 用，使混合物达到均相的过程【引。在这个过程中，单纯通过扩散进行传质是一个 相对缓慢的过程，为获得较快的混合速度，一般借助外加的机械搅拌或其他的一 些混合操作。例如，对于低粘度流体，可采用产生湍流，提高对流速度的方法来 提高混合效率。从微观上，流体混合实际上是不同流体分子之间的相互混杂过程， 其混合动力主要来源于分子的布朗运动，即谓扩散。分子的扩散始终存在，但在 流体元变得足够小之前，其比表面的大小不足以使扩散效率成为重要因 [91。
在微尺度条件下，不同物质组分间的扩散作用是促进混合的一个主要因素。 但理论和实践都证明，在微尺度条件下，单纯依靠流体质量浓度差造成的分子扩 散作用无法实现快速混合，而必须采取一些措施或方法来实现微流体的快速混 合。但是一般微混合器的特征尺度只有微米级，其主要流动形式是层流，获得湍

浙江大学硕士学位论文 绪论

流非常困难【10，11】。因此，通过湍流产生高对流的方法是不可行的，必须寻求新的

思路。

1．2微混合器发展

理想的微混合器应具有的特点：(1)混合效率高、停留时间短、能耗低；(2) 操作条件易控制；(3)设备结构简单、易于集成；(4)设备体积小、内在安全性 能好等【121。目前，国际上已有不同类型的微流体混合器，其目的都是为了在最短 时间内实现微尺度下低雷诺数流体的快速均匀混合。微混合器按照有、无外界动
力源可分为静态混合器(主动式混合器)和动态混合器(被动式混合器)两判13,14]。 静态混合器可分为弯曲通道式、分合式、回流循环式、交错人字式、分流／截流 式等；动态混合器按作用原理可分为电动力式、磁动力式、超声波式、分支注入 式、压电式、磁致式、射流式、机械式等。
1．2．1静态微混合器的发展 静态混合器是通过流体的被动流动实现混合的，除了驱动流体运动的动力
外，不需要外加的动力，混合过程完全依赖对流和扩散作用。由于静态混合器不 需要有动力源，没有运动元件，不需要主动改变压力梯度，可以在简单的通道中 实现，不会因为分成多个细流而增加流体的应变率，制造相对简单，因此，静态 混合器更容易普及和推广．
1996年，J．Branebjerg等‘15，161研制了一种重复分层式混合器。在不影响流体 性质的情况下，将两种流体通过“重叠”或“迭加”进行混合。经过n次这样的 混合后，混合流体被分为2n层，这样就大大增加了流体问的接触面积，混合效 果得到了极大的改善。但是由于整个结构中存在阀片等机械可动部件，受到加工 工艺和加工准确度的限制，而且阀片的频繁开关会降低混合器的使用寿命。
1997年，A．Desai等‘171研制了一种应用于雷诺数为2000．6000的次毫秒级 液体混合的微型装置。此装置的总体尺寸为lemxlem×lmm，中心芯片由两个T 型混合器组成，中间通过一条作为反应腔的微管道连接，液体汇合后进入第三条 管道，再次形成T字形状。在酸基指示剂和染色剂的帮助下，可以看到液体在 1001as内达到了均匀混合。这种混合器的优点是制作工艺简单，混合时间短，缺

浙江大学硕士学位论文 绪论

点是只适用于雷诺数较高的场合。 ，

2000年，R．H．Liu等f18】研制了一种三维蛇型管道混合器。整个三维立体结 构由KOH双面腐蚀硅片而成，粘合玻璃盖片形成封闭的微混合通道。此混合器 带有多个C型单元，由于在微通道中存在着与主流垂直的二次流，使流体中形 成对流，进而使流体扭曲拉长，增加了流体接触的面积，流体间的扩散得以加剧。 在雷诺数Re大于25时，蛇型管道中分子扩散与混沌对流同时存在，其混合效率 为二维直管道的16倍，是二维方波型管道的1．6倍。
2001年，S．Bohm等【191报道了一种用于高速化学反应的快速涡流式微混合 器。它通过利用涡流来减小扩散距离，从而达到减少混合时间的目的。同年， Bensch等提出内含交错排列的薄片或螺旋片装置的微混合器，使流体的流动方 向交错重叠，大大增加了接触面积，促进了混合效率。
2003年，骆广生等【1220]报道了一种新的膜分散式微型混合器，采用微孔膜 作为分散介质，通过制备微小液滴和缩小混合室体系实现液液两相的微混合。
2004年，s．H．Wong等【21】采用硅基底和Pyrex玻璃板制造了一种T型微混 合器，并通过蓝色颜料和无色液体的混合情况来分析此T型微混合器的混合特 性，表明当微混合通道的当量直径为671am，施加压力为5．5 bar时，其完全混合 的时问不超过Irns．
2008年，A．Asgar等【22】基于常见的Y形混合器和改进的T型混合器提出了 一种在微流体通道中设置矩形障碍物的平面静态微混合器，并通过CFD．ACE+ 数值模拟和实验证明这种阻挠式的微混合器混合效果明显，5mm内可完成大约 90％的混合，对于雷诺数为0．05的流体在3mm内可完成90％的混合。
由于静态微混合器通道的直径通常为微米量级，雷诺数较小，一般不会有涡 流产生，也由于静态混合器中没有驱动器来驱动流体发生扰动，所以流体浓度差 造成的分子扩散在流体混合过程中起着重要的作用。但仅仅依靠分子扩散作用实 现流体混合可能会需要特别长的混合时间或需要非常长的混合距离。从静态混合 器的发展过程中可以发现，现有的静态微混合器，主要依靠改变微型通道的几何 形状、微通道中设置障碍物或者导流块等方法来增加流体间的有效接触面积，从 而缩短分子扩散距离，提高流体的混合效率。此外，徼加工材料和微加工技术的 不断发展为制造复杂的静态微混合器提供了可能，目前，国内已有利用高分子材

浙江大学硕士学位论文 绪论

料聚甲基硅氧烷(PDMS)制造微混合器。 1．2．2动态微混合器的发展

动态混合器是利用外来作用力产生的扰动作用来促进混合。与静态混合器相 比，具有更明显的混合效果，但由于需要驱动源、外加扰动装置以及相应的集成 部件，所以主动混合器的结构通常比较复杂，制造和装配上的难度较大。
1993年，IL Miyake等【23】利用流体通过微型喷12的特征，设计了一种能产生 许多射流的微混合器。它以微管道作为流体管道，在试剂的入口有2．2mmx2 mmx3301．u'n的混合区域，底部有间隔为151．tm的400个微型喷12。通过这些喷 12，上面的样品被注入到下面的试剂中，形成很多微小的喷流，即喷流阵列。喷 流会大大增加两种混合流体表面的接触面，以此来加速扩散的速度。
1997年，在DAPPA(美国国防部先进技术署)和NSF(美国国家自然科学 基金会)支持下，夏威夷大学研制出一种自聚焦式声波微机械传感器【241。它应用 聚焦高能声波使自由液体表面喷射微小液滴的原理，其结构主要由表面氮化硅 层、铝制电极和氧化锌压电薄膜组成。当传感器受到激励时，会产生向内部所盛 装液体和固体交接面传播的声波。如果电极设计合理，声波将在焦点处产生干涉， 并产生高强度垂直向上的声束。这些声束与声波处于同一平面内，在液体内部产 生强烈的对流，因而实现有效的动态混合。
2000年，美国辛辛那堤计算机科技大学电子与计算机工程系设计出一种动 态微流体混合器【251，可以用于微粒子与液体或液体-9液体的混合。微混合器的管 道I扫<100>硅片各向异性腐蚀而成，硅基体与玻璃板用Teflon材料键合在一起， 两电极与硅片和玻璃之间分别用溅射的Cr和旋涂Teflon材料绝缘。当施加外部 电场时，感应并聚集在两种导电性不同的液体交接面处的表面电荷，将随着交接 面处产生的剪切力而运动，从而使液体得到充分的混合。这种混合器的实质就是 一个在平行电极问施加直流电压的EHD泵(电液动力泵)，但由于这种泵对流体 的导电特性有特殊要求，往往需要向液体中注入离子，因此其应用受到了很大的 限制。
Z．Yang等【2q设计了一种微流体超声振动混合器，其混合直接由超声振动引 起，整个微通道刻蚀在硅基体上，振动膜在硅基的底部，压电陶瓷被粘结在振动

4

浙江大学硕士学位论文 绪论

膜上。微混合器的超声振动是由压电陶瓷在频率为60kHz的方形电波激发下产 生，从而促使层流混合液在混合腔内连续而有效地混合。
压电式微混合器是利用压电驱动器产生的力来驱动和扰动微流体，从而提高 混合效率。2007年，朱丽等【271设计了一种微混合器，利用压电陶瓷驱动器产生 的脉冲惯性力来驱动和扰动微流体。该微混合器将玻璃微管道拉制仪拉制的三根 微管道组合起来，形成含有两个进口与一个出口的微流道，无需复杂的玻璃微加 工技术及键合、芯片钻孔等工艺。工作时通过数字化控制每一根进料微管道内的 流体喷射至混合腔内，实现它们的微混合，最终生成的混合物由微混合器出口喷 射而出。
磁性微混合器‘281是利用磁场的变化来破坏流体的层流状态，产生对流加强流 体间的混合。C．M．Ho[29]和F．Koji等130]在芯片中预埋电线，当电线中通上电流， 产生磁场，使磁性颗粒受力变化，从而改变流场达到加速混合的目的。R．Rong
等【311研制了有3组磁头的微混合器，安排好磁头的信号可以产生旋转磁场，从而 改变磁珠的运动轨迹，加强流体的混合。M．Grumann等【32】在一个圆形通道周围 某些固定的位置放置永磁铁，使流经的磁性颗粒受力而改变流动方向，破坏层流 状态。但是，此方法只适用于某个流体组分中含磁性颗粒的情况。
总之，动态微混合器在近几年的发展也非常迅速，同时，由于实现主动混合 的原理多种多样，其发展趋势更加多样化。

1．3混沌微混合器及其发展

混沌微混合器近年来在微流动研究领域备受重视。对于需快速混合或扩散系 数很小的体系，在通道内引入二次流，使流体被拉伸、折叠，更有效地促进层流 状态下流体的混合。
首次将混沌引入到流体力学领域的是美国学者H．Aref,他在研究流体沿着 复杂路径流动时发现，流体会发生对流，并且超过一定时间，这种运动将变得杂 乱无章，即出现混沌对流。当这种现象出现在以混合为主导的流体流动中时，就 称为混沌混合【331。他提出，用简单的二维非定常流场诱发混沌现象，无需借助任 何外加的机械作用就能实现对流体的高效搅拌，同样，三维流场沿通道轴向的周 期性波动也可以实现混沌混合1341。

浙江大学硕士学位论文 绪论

另外，J．M．Ottinol351的研究结果也指出，流体的高效对流混合(不包括扩散) 是流体有效地被拉伸与折叠的结果。在混合隔离区内，流体的拉伸率随时间是线 性变化的，而在混沌区随时间成指数规律增长。所以，提高低雷诺数下流体混合 效率的一个基本方法就是增大流动中的混沌区域。也就是说，要想提高流体层流 混合的效率，混沌是必不可少的【36】。
自从提出混沌对流以后，人们就通过理论分析、数值计算与实验等方法对层 流混沌混合进行了深入广泛的研究，一致认为混沌是层流条件下提高混合效率的 主要方式【37】，混沌混合被看作是提高低雷诺数下流动与混合效率的唯一途径【351， 为流体混合研究开辟了新的思路。
根据动力学扰动措施的不同，混沌混合可分为时间混沌混合和空间混沌混合 两大类【38'39】。截止到目前，时间混沌混合在工业中的应用并不多，只有周期性换 向的搅拌方式在洗衣机中有所运用，不过也有人研究出了适用于工业应用的混沌 电动机【40，411．空间混沌混合的机理在于破坏流动结构的对称性和周期性。总体而 言，空间混沌混合的效果不如时间混沌混合【42】。
1997年，J．Evans[431用高温产生的水蒸气泡在多重循环的混合舱(面积为

1．6minx0．6mm，深100pm)来回流动。使相邻的流体粒子在混沌流场中大量的 分离、聚合，流体分子形成混沌对流，从而使流体充分的混合。
2001年，Y K．Lee等【卅在垂直流动方向上引入周期性压力扰动，使微通道 内产生二维非定常流动，从而引起流体间的混沌混合。H．旬ef与合作者【18，45l设 计了具有三维蛇形微通道的混合器，理论分析和实验结果都表明蛇形微通道可引
起混沌对流，使流体被拉伸和折叠，大大地缩短了扩散距离。Reynolds数为70 时，酚酞显色反应证实其混合效率比T型微混合器高16倍。
2002年，T．J．Johnson等m】提出了一种T形管道主体结构的微混合器。其 基底材料是聚碳酸酯，利用激光在管道的底部消融出凹槽；混合管道横截面近似 梯形．这种混合器采用电渗流驱动，在300 gm·s。1速度条件下，可以诱发混沌对 流，并取得好的混合效果。
同年，A．D．Stroock等【47】在聚二甲基硅氧烷(PDMS)上加工出底部置有错 排人字形肋片或斜形肋片的二维微通道。高Peclet数时，T型微混合器在3cm 内几乎无混合；斜形肋片微混合器中仅发生部分混合；而错排人字形肋片徼混合

6

浙江大学硕士学位论文 绪论

器中，荧光摄影发现通道底部的特殊结构使流体在通道中心处发生拉伸和折叠， 引起了流体的混沌对流，从而当Peclet数高达9x105时，仍能保证完全混合。
2004年，S．J．Park等【48】将常规的PPM(partitioned-pipe mixer)混合器的设 计思想应用到微混合过程，设计了结构更复杂的三维微混合器。混合器的主体结 构由PDMS材料加工而成，玻璃板作为盖片。由于微管道的作用，待混合的液 体被旋转、分离，同时生成了体积更小的液滴，产生混沌对流。
D．S．Kim等【4明在微通道底部蚀刻出斜形槽道，使流体产生三维螺旋流动， 同时于顶部周期性设置长方形块状物，使流场沿轴向发生周期性扰动，从而引发 流体问的混沌混合。实验证实，在所考察的流速范围内，混沌微混合器的特征混 合长度比T型微混合器小4．10倍，比斜形槽道微混合器小2倍。
2006年，杨华勇等150】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。微通道内，周期排列的导流块在轴向的压 力梯度作用下产生了横向的速度分量，可以诱发混沌对流，同时实现微通道内流 体的快速混合。
2007年，T．G Kang等【51】在蜿蜒的流体通道内添加额外的刚性粒子，通过空 间中的外力的驱动产生了周期性的刺激，在二维的连续流中实现了几乎完全的混 沌对流，从而增加了流体的接触面积，大大提高了混沌效率。 ．
c．C．Hong等圈提出基于Coanda效应的微混合器，利用Coanda效应使流体 产生回流，由于回流的方向与主流方向相反，可大大加强混沌对流，从而改善混 合效果。
s．z．Qian掣531提出电动力式微混合器，它是在上下壁面上加不同的电压， 使得通道内壁产生不同大小和正负的电势，从而改变电渗流速度的大小和方向， 产生混沌涡旋，达到改变混合器效率的目的。
2009年，王斌等【541设计了一种新型的微混合器，其基本工作原理是利用脉 冲电压激励微铂膜产生可控气泡，气泡在脉冲电压激励作用下胀缩，并在压力输 出口处产生周期性脉冲压力波，压力波横向扰动待混合的流体使流体产生混沌对 流，在流体交界面产生了强烈的卷曲和拉伸，使流经的流体达到快速有效的混合。 实验结果表明，该微混合器能够在毫米级混合长度及毫秒级混合时间内快速均匀 混合；脉冲频率越高，混合效果越好，混合指数越高。 ．

浙江大学硕士学位论文 绪论

自装配磁性微混合器是利用聚合的磁流体在旋转磁场作用下的运动，破坏流 体的层流状态，产生混沌对流而加强流体间的混合。在徼通道内引起二次流并可 能诱发混沌混合的微混合器构型还有：L形二维或三维微通道网络155,561、微通道 内壁上设置不同的沟槽、凸起【57—91、徼通道壁面‘电势或润湿性的周期性交化
160,61]、脉冲泵混合法【蚓等。

1．4微混合机理及其研究方法的进展
，

为了优化微混合器的结构，进一步提高微混合器的混合效率，最根本的还是 需要从混合机理着手，研究能增强流体混合的内在规律。在微流体系统中，由于 通道特征尺度在微米量级，雷诺数较小，粘性力占主导地位，惯性力往往忽略不 计，其流体混合过程主要基于层流混合机制。其混合机理有【硎：
(1)分子扩散在微混合器中，流体组分间的混合，主要依靠扩散作用完成。 (2)分布混合静态单元对流体不断分割．重排．再结合，减小流层厚度，增
大流体间的界面。

(3)延伸流动由于流动通道几何形状的改变或者由于流动被加速，产生延 伸效应，使得流层厚度减小。
(4)混沌混合在通道内引入二次流，使流体被拉伸、折叠，增大混合流体 间的界面面积，减少流层厚度。
根据流体力学的理论，增强微混合器中流体的混合，只能增加扩散时间和加 强对流。但是微流体系统中流体流动速度非常小，依靠对流加强受到很大的限制。 从微通道中流体混合的机理看，流体混合几乎完全依靠扩散，所以要提高混合效 率可以采用一些加强扩散的方法。在Einstein公式中，横向扩散距离随扩散系数 和扩散时间的增加而增大．因此，可以通过增大扩散系数和加长扩散时间来提高 混合质量，但是这两种方法均不可取。因为基于布朗运动的扩散系数只与流体性 质本身、温度和一些常数有关，无法任意改变，而扩散时间的加长将会降低效率。 但是，Einstein公式是在一定的条件下适合的，流体的接触面积、次流引起的横 向速度、外界能量的输入、流体的粘度和微通道的壁面等在Einstein公式中都没 有包含。为了研究这些因素对微流体混合的影响，国内外许多的学者和研究者采 用不同的方法分别对它们进行了研究。

浙江大学硕士学位论文 绪论

D．Gobby等【删采用计算流体动力学的方法研究了T型微混合器的混合特性， 发现混合长度随着流体速度的提高而交长，同时也受混合器纵横比的影响。改变 入12通道间的角度不会对混合表现产生很明显的影响，但是适当收缩的管道口可

‘
缩短混合长度。

H．Wang等【651通过Coventor Ware软件模拟研究了Y型微混合器中设置障碍 物后的混合情况，结果表明当微混合器中设置不对称的障碍物会比设置同样数目 的对称障碍物具有更有效的混合。
A．D．Stroock等【66】采用简单扰动的方法，展示了由于有效滑动边界条件的影 响，壁面槽的附近会产生3D流动，并通过具有槽底面的矩形通道中流体流动的 实验证实了此流动形式，提出了可半定量预测此效应的方法．
E．Lauga等【671提出平面通道不仅具有恒定的曲率而且具有不变的横截面。在 Stokes流动的条件下，平面通道内的流场是二维的而且是单向的。若通道的横截 面和曲率发生变化，其内的流动速度是完全三维的(I沁不等于0)，因此，从理 论上讲，可在简单的微混合装置中混合流体。
王瑞金t68j)羽有限体积法对微通道的不同结构参数和不同雷诺数Re下的扩散 和混合进行数值模拟，得到雷诺数Re是影响微通道中扩散效率最为重要的因素； 扩散通道宽度减小，微通道中的物质扩散加强；入流角超过一定角度时，扩散情 况几乎没有变化；弯曲通道对微通道中的物质扩散和混合是最佳选择，无论Re 等如何变化，几乎都能完全扩散和混合；沿微通道的宽度方向速度分布为抛物线， 壁面附近的扩散速度加快，产生蝴蝶效应，与Einstein公式的预测有明显偏差等 混合机理。 ．
2006年，N．Aoki和K．Maet69】采用Villermaux．Dushman反应研究了T形、 Y形和K．M形微通道内液流体的混合情况。结果表明，通道结构尺寸、雷诺数 I沁以及流体流动速度会对流体的混合效果产生很大影响，并且微通道可以在确 保良好的混合效果和高通量的同时避免压降过大。
余海燕等【7伽采用FLUENT软件对T型管两液流混合过程进行了数值模拟， 对三种典型速度流型，即抛物线型、塞状型和凹面型速度流型条件下的混合效果 进行了比较分析。数值模拟和理论分析的结果表明：流速以及流型对混合效果具 有很大的影响，抛物线型的混合效果最好，而且利用泵驱动系统比电渗驱动系统

9

浙江大学硕士学位论文 绪论

更有利于混合。

刘湘云等【71】对一个双向进口的微型圆柱微混合器进行数值模拟，虽然此微混 合器没有设置专门的扰流装置，仅采用切向进口设计，但是可在短时间内达到很 好的混合效果，而且混合效果并不是随着雷诺数增大而增强，只有在一定的雷诺 数范围内，才能够取得均匀的混合效果；如果雷诺数太大，两种液体在进口处附 近区域产生漩涡，反而使得混合腔内的混合溶液变得不均匀。
A．Q S．Pushpavanam／翻对具有边入口的U型微混合器进行了数值理论分析。 从数值分析的结果来看，此类微混合器与一般的微混合器相比，由于具有边入口 带来的曲线入口速度的干扰，在雷诺数Re=120时便可诱发二次流涡旋，而不具 有边入口的微混合器在Re=400时才产生。
郭雷等【嘲通过数值模拟的方法研究了直通道、z形和内肋形三种被动微混合 器的混合性能与压力损失。结果显示，内肋形微混合器在不同速度条件下的混合 性能要优于其他两种微混合器，而且随着流量越来越大，其压力损失也越来越大。 樊晶等【硎通过实验的方法研究了进料流速、进料管径和超声波脉冲频率对超 声波Tee微混合器内溶液混合效果的影响。在连续脉冲频率的条件下，溶液的混
合效果最佳，脉冲间隔时间越长，混合效果最差。而对流速与进料管径的研究，

‘
显示出混合效果随着进料量的减少反而得到提高。 ‘

魏守水等【7习计算了超声微流混合器不同的振动模态，利用粒子粒子图像技术 测量实际振动模态图和流场图，分析模态计算结果与试验的误差原因。结果表明， 混合器在超声激励下腔体内存在平面旋状结构。环流边界处有明显的微粒汇聚现 象；一阶模态振动会产生净压差，并得到压差高度与压电驱动电压的近似关系式。 毛文彬等【761针对物理问题建立了通用的无量纲方程和边界条件，利用计算流 体动力学方法研究了微混合器的特性和脉动参数的影响。结果表明，在脉动方波 占空比为O．5，相位差为180度时，能达到较好的混合效果。当雷诺数为1．0，脉 动频率为2 Hz时，混合度能达到79％。频率的影响较为复杂，只要频率不小于 引起混合不稳定时的临界频率，其值越小，混合效果就越好。同时，综合各参数 的影响建立了参数一脉动体积，当其未超过混合通道体积时，其值越大，混合效
果越好。

A．D．Stroock等‘771为了研究SHM微混合器的混合机理，提出了一种新的分

10

浙江大学硕士学位论文 绪论

析模型一一“Lid．driven”空腔模型，把微通道横截面上流体的流动看作 “Lid．