微混合器研究进展.pptx

微混合器研究进展微混合器研究进展Seminar 学生：学生：赵玉潮赵玉潮导师：导师：袁袁 权权 院院 士士 陈光文陈光文 研究员研究员 微化工技术组微化工技术组 2006/5主要内容主要内容l材质与加工方法材质与加工方法l流动特性分析流动特性分析l微混合器分类微混合器分类l混合效果评价方法混合效果评价方法（一）材质与加（一）材质与加工方法工方法l不锈钢不锈钢l铝片铝片l硅硅l石英和玻璃石英和玻璃l硬质高分子聚合物硬质高分子聚合物l弹性聚合物弹性聚合物l光敏聚合物光敏聚合物u机械微加工机械微加工u湿法刻蚀湿法刻蚀u干法刻蚀干法刻蚀u高分辨刻蚀高分辨刻蚀(LIGA)u注塑注塑u原位聚合原位聚合u热压热压u气相沉积气相沉积u软刻蚀软刻蚀（二）微混合器内流体流动特点（二）微混合器内流体流动特点 尺度小尺度小（0.01mm10mm）Re2000层流层流扩散！扩散！Einstein理论：理论：水分子扩散水分子扩散10m约需约需1s扩散扩散1mm约需约需1000s 布朗运动的扩散系数：布朗运动的扩散系数：流体性质本身、温度流体性质本身、温度和一些常数有关和一些常数有关 强化混合过程强化混合过程L操作和加工难度操作和加工难度两流体间接触面积，二次流（横向速度），两流体间接触面积，二次流（横向速度），外加能量，微通道结构和壁面外加能量，微通道结构和壁面注意：注意：微尺度下混合原则微尺度下混合原则Injection of substreamPeriodic injectionSplitting and recombinationInjection into a main stream Forced mass transportcontactingDecrease of diffusion pathHigh energy collision（三）微混合器分类（三）微混合器分类主动式主动式从动式从动式微混合器微混合器有无动力源有无动力源并行迭片并行迭片串联迭片串联迭片注射注射/喷射喷射混沌对流混沌对流作用原理作用原理脉冲扰动脉冲扰动电场扰动电场扰动磁动力磁动力超声波超声波电动力电动力热扰动热扰动能量种类能量种类从动式微混合器的特点从动式微混合器的特点 优点优点 结构简单结构简单 操作稳定操作稳定 容易集成容易集成 成本较低成本较低 易自动化易自动化 缺点缺点l 混合时间长混合时间长l 混合效果差混合效果差浓浓度度脉脉动动谱谱惯性对流子域惯性对流子域 粘性对流子域粘性对流子域 粘性扩散子域粘性扩散子域 宏观湍流分散宏观湍流分散 介观粘性变形介观粘性变形 微观分子扩散微观分子扩散 流体间的剪切流体间的剪切 和小尺度拉伸、折叠和小尺度拉伸、折叠 接触面积接触面积 扩散路径扩散路径 平行迭片平行迭片从动式从动式两股流体通过两个入口同时进入一个长的两股流体通过两个入口同时进入一个长的混合微通道，接触后相互扩散而进行混合混合微通道，接触后相互扩散而进行混合 设计理念：设计理念：研究最多、最简单、最重要的微混合器：研究最多、最简单、最重要的微混合器：“T”型微混合型微混合器器“Y”型微混合型微混合器器 研究微尺度下传递现象的理想设备，如放大（缩小）法则、蝴蝶研究微尺度下传递现象的理想设备，如放大（缩小）法则、蝴蝶效应、以及其它非线性现象效应、以及其它非线性现象 Kockmann 把微通道内层流区域流型分为三种情况：即严格层把微通道内层流区域流型分为三种情况：即严格层流、涡流、席卷流；流、涡流、席卷流；Wong等发现等发现Re数在数在400500，流速达，流速达7.6m/s，流体能够较好混合，压力高达，流体能够较好混合，压力高达700kPa，给微反应系统，给微反应系统的封装和连接带来了挑战！的封装和连接带来了挑战！平行迭片平行迭片从动式从动式二次流现象：二次流现象：与流体主流方向垂直，与流体主流方向垂直，强化混合过程强化混合过程边界层分离：边界层分离：这种分离能够形成漩涡，使流体层破这种分离能够形成漩涡，使流体层破裂形成转动方向不同的小漩涡，减少裂形成转动方向不同的小漩涡，减少扩散距离，强化混合过程扩散距离，强化混合过程微尺度下通道内存在弯曲点、不规则突起或节点时，微尺度下通道内存在弯曲点、不规则突起或节点时，使二次流和边界层分离容易发生使二次流和边界层分离容易发生“Z”字型微混合器字型微混合器 平行迭片平行迭片从动式从动式“水力学聚焦水力学聚焦”原理微混合器，减小横向扩散路原理微混合器，减小横向扩散路径径时间交叉分段与时间交叉分段与“水力学聚焦水力学聚焦”组合式微混合组合式微混合器器平行迭片平行迭片IMM公司的公司的Ehrfeld小组设计了一种交趾式微混和器小组设计了一种交趾式微混和器 从动式从动式串联迭片串联迭片从动式从动式入口两流体首先水平呈一股流体流动，然后被入口两流体首先水平呈一股流体流动，然后被垂直分割，再水平汇合，重复此过程，经过垂直分割，再水平汇合，重复此过程，经过m次汇合和分割后，则会出现次汇合和分割后，则会出现2m层薄层流体，能层薄层流体，能够使混合时间减小够使混合时间减小4m-1倍倍 定义：定义：串联迭片串联迭片分割汇合分割汇合分割分割汇合分割分割汇合串联迭片串联迭片从动式从动式 通过优化微通道结构，使流体层层叠加，通过优化微通道结构，使流体层层叠加，He等设计了一种等设计了一种小体积、小流速的微混合器小体积、小流速的微混合器注射式微混合器注射式微混合器从动式从动式一相主体流顶部或底部存在一系列喷嘴，而另一种流体通一相主体流顶部或底部存在一系列喷嘴，而另一种流体通过这些喷嘴喷射入主体流中形成羽状流，这种羽状流能够过这些喷嘴喷射入主体流中形成羽状流，这种羽状流能够增加两相接触面积和减小混合路径，强化混合过程增加两相接触面积和减小混合路径，强化混合过程 定义：定义：注射式微混合器二维模型注射式微混合器二维模型 式中，式中，K0，K1分别为第二类变形贝塞耳函数；分别为第二类变形贝塞耳函数；Pe数数和无量纲浓度和无量纲浓度c*分别为：分别为：Miyake等采用等采用DRIE方法在硅片方形混合室内加工了方法在硅片方形混合室内加工了400个喷嘴；个喷嘴；Larsen等利用等利用CFD模拟方法研究了喷嘴形状对混合的影响；模拟方法研究了喷嘴形状对混合的影响；混沌对流混沌对流从动式从动式中等雷诺数区域（中等雷诺数区域（10Re5时混合时混合效果就能达到理想效果效果就能达到理想效果混沌对流混沌对流从动式从动式中等雷诺数区域（中等雷诺数区域（10Re100）：）：Liu等报导了一种由等报导了一种由“C”型微混合单元串联并型微混合单元串联并垂直排列而成的三维蛇形微混合器垂直排列而成的三维蛇形微混合器“T”型入口方式，六个微混合单元，微通道总长度为型入口方式，六个微混合单元，微通道总长度为20mm。仅在相对高的雷诺数下（。仅在相对高的雷诺数下（Re=2570），混沌），混沌对流才能够发生对流才能够发生 混沌对流混沌对流从动式从动式中等雷诺数区域（中等雷诺数区域（10Re100）：）：“L”型型改进改进“L”型型流动折叠拓扑结构流动折叠拓扑结构旋转型旋转型其它类型微混合器其它类型微混合器 混沌对流混沌对流从动式从动式低雷诺数区域（低雷诺数区域（Re10）：）：Johnson等首次发现微通道壁等首次发现微通道壁面上的凹槽能够产生混沌对流，面上的凹槽能够产生混沌对流，以电力驱动流体流动，在低雷以电力驱动流体流动，在低雷诺数下就能获得较好的混合效诺数下就能获得较好的混合效果：果：Stroock等研究了两种等研究了两种不同凹槽结构对混合的不同凹槽结构对混合的影响，如交错排列的箭影响，如交错排列的箭尾形结构尾形结构 主动式微混合器的特点主动式微混合器的特点 优点优点 混合时间短混合时间短混合距离短混合距离短可选择性大可选择性大适于极低适于极低Re数数 缺点缺点l 不易集成不易集成l成本较高成本较高l制作困难制作困难l材质要求高材质要求高脉冲扰动脉冲扰动主动式主动式压力扰动压力扰动速度脉冲侧线进料速度脉冲侧线进料微搅拌（外加电磁场）微搅拌（外加电磁场）电场扰动电场扰动主动式主动式Moctar等把电极置于微通道内，改变电极两端等把电极置于微通道内，改变电极两端电压和频率，使两种不同性质的流体按不同轨电压和频率，使两种不同性质的流体按不同轨迹运动，在微通道内产生混沌对流，结果发现迹运动，在微通道内产生混沌对流，结果发现在在Re=0.02时就能达到较好混合效果时就能达到较好混合效果其它能量形式其它能量形式l磁动力：在外加磁场作用下，电极上产生直流磁动力：在外加磁场作用下，电极上产生直流电，使电解质溶液中带电粒子受到罗仑兹力，电，使电解质溶液中带电粒子受到罗仑兹力，并带动流体翻转、折叠，增加接触面积；并带动流体翻转、折叠，增加接触面积；l超声波：用声波来搅拌微混合器内的流体；超声波：用声波来搅拌微混合器内的流体；l电动力：通过外加电流，改变电渗流速度大小电动力：通过外加电流，改变电渗流速度大小和方向，产生混沌对流，达到强化混合过程的和方向，产生混沌对流，达到强化混合过程的目的目的；l热扰动：改变扩散系数热扰动：改变扩散系数D，如利用热泡产生流，如利用热泡产生流体扰动，以强化混合过程体扰动，以强化混合过程主动式主动式（四）混合效果评价（四）混合效果评价 可视化方法可视化方法 标记物技术标记物技术微粒成像技术微粒成像技术共聚焦检测技术共聚焦检测技术竞争反应法竞争反应法 平行竞争反应平行竞争反应 连串竞争反应连串竞争反应 浓度轮廓分布法浓度轮廓分布法光学法光学法 微传感器微传感器 红外光谱法红外光谱法 拉曼光谱法拉曼光谱法 评价方法评价方法评价方法评价方法理论模拟理论模拟CFD混合效果评价混合效果评价可视化方法可视化方法标记物技术标记物技术共聚焦检测技术共聚焦检测技术微粒成像技术（实验）微粒成像技术（实验）微粒成像技术（模拟）微粒成像技术（模拟）混合效果评价混合效果评价竞争反应法竞争反应法传统工程学派方法：传统工程学派方法：参考文献参考文献参考文献参考文献1 微流控分析芯片的制作及应用，方肇伦主编，微流控分析芯片的制作及应用，方肇伦主编，2005；2 M.Kakuta,F.G.Bessoth and A.Manz,Microfabricated devices for fluid mixing and their application for chemical synthesis,Chem.Rec.1(2001),395-405.3 J.M.Ottino,W.E.Ranz,C.W.Macosko,Chem.Eng.Sci.,1979,34:877-890.4 A.E.Kamholz and P.Yager,Molecular diffusive scaling laws in pressure-driven microfluidic channels:deviation from one-dimensional Einstein approximations,Sensor Actuators B,82(2002),117121.5 S.H.Wong,M.C.L.Ward,C.W.Wharton,Micro T-mixer as a rapid mixing micromixer,Sensors and Actuators B:Chemical 2004,100,365-385.6 S.H.Wong，M.C.L.Ward，C.W.Wharton，Micro T-mixer as a rapid mixing micromixer，Sensors and Actuators B 2004，100，359379.7 M.Koch,H.Witt,A.G.R.Evans and A.Brunnschweiler,Improved characterization technique for micromixer,J.Micromech.Microeng.9(1999),156-158.8 J.B.Knight,A.Vishwanath,J.P.Brody and R.H.Austin,Hydrodynamic focusing on a silicon chip:mixing nanoliters in microseconds,Phys.Rev.Lett.80(1998),38633866.9 N.T.Nguyen,X.Y.Huang,Mixing in microchannels based on hydrodynamic focusing and time-interleaved segmentation:modelling and experiment,Lab Chip,2005,5,13201326.10 B.He,B.J.Burke,X.Zhang,R.Zhang,F.E.Regnier,A picoliter-volume mixer for microfluidic analytical systems,Anal.Chem.2001,73,19421947.11 W.Ehrfeld,V.Hessel,S.Kiesewalter,H.Lwe,T.Richter,J.Schiewe,Microreaction Technology:Industrial Prospects;Springer:Berlin,2000;p14.12 B.L.Gray et al,Novel interconnection technologies for integrated microfluidic systems,Sensors Actuators A,77(1999),5765.13 M.S.Munson and P.Yager,Simple quantitative optical method for monitoring the extent of mixing applied to a novel microfluidic 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