【摘要】：隨著MEMS的高速發(fā)展,微流控系統(tǒng)高度微型化、集成化是大勢(shì)所趨。作為生物、化學(xué)、醫(yī)學(xué)、流體、電子、材料、機(jī)械等交叉學(xué)科而興起的研究熱點(diǎn),微混合器的發(fā)展越來越受到國內(nèi)外高校和企業(yè)研究者的關(guān)注。本文以計(jì)算流體力學(xué)、微流體力學(xué)以及混沌混合理論為理論基礎(chǔ),設(shè)計(jì)三種分層分合式被動(dòng)微混合器和一種進(jìn)口速度周期波動(dòng)的主動(dòng)微混合器,通過數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究的方法對(duì)其混合機(jī)理、混合效果進(jìn)行研究分析,具體研究內(nèi)容及結(jié)論如下:首先,本文綜述了國內(nèi)外學(xué)者對(duì)主動(dòng)式微混合器和被動(dòng)式微混合器的研究現(xiàn)狀,分析各種微混合器結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣、混合效果的好壞以及混合速率的快慢�？偨Y(jié)發(fā)現(xiàn):目前的微混合器主要是針對(duì)較高雷諾數(shù)(10~100以上)不同流體之間混合;針對(duì)較低雷諾數(shù)(0.01~10)的微混合器由于只依賴分子的擴(kuò)散作用而難以達(dá)到較好的混合效果,由此提出本文研究混沌對(duì)流微混合器方法、目的和意義。其次,在介紹流體力學(xué)基本規(guī)律的基礎(chǔ)上,引出微流體力學(xué)的力學(xué)特性以及常用假設(shè)方法;詳細(xì)分析了微通道內(nèi)不同流體的混合機(jī)理、混沌變換理論以及混合效果的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。從微流體混合理論出發(fā),提出了低雷諾下提高混合效果的有效方法,即通過增大不同流體之間的接觸面積和增強(qiáng)微流體的對(duì)流作用來提高混合效果。接著,根據(jù)混沌變換理論,設(shè)計(jì)了三種分層分合式被動(dòng)混合器,即Smale、Helical和Baker微混合器,并對(duì)其混合機(jī)理、影響參數(shù)、混合效果和壓力降進(jìn)行了數(shù)值模擬和對(duì)比分析,結(jié)果發(fā)現(xiàn)在較低雷諾數(shù)下Baker混合效果最好,Smale次之,Helical最差。另外,還提出了一種進(jìn)口速度正弦周期波動(dòng)的主動(dòng)式縮放型微混合器,通過Fluent-UDF二次開發(fā)程序?qū)ζ浠旌闲Ч母鞣N影響參數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬分析,得出在相位差為180°、速度比為2、St數(shù)在0.2~0.4時(shí)混合效果最好。最后,對(duì)微混合器模型進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。通過搭建出的實(shí)驗(yàn)平臺(tái),對(duì)制作的被動(dòng)式Smale微混合器進(jìn)行微混合實(shí)驗(yàn),并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行定性的對(duì)比分析,結(jié)果顯示數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好。
【圖文】：

杭州電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文2 微混合器的研究現(xiàn)狀2.1 微混合器簡介及分類所謂微混合器（Micromixer），通俗的來講就是能夠把兩種或者多種流體充分混合均勻的一種微流控器件。一般微混合器由進(jìn)口、中間混合單元和出成，進(jìn)口數(shù)量可以根據(jù)需要混合的流體種類來設(shè)計(jì)，最常見的有兩個(gè)進(jìn)口出口和三個(gè)進(jìn)口、一個(gè)出口的微混合器。微流體混合就是指把微混合器通道不同流體彼此滲透到對(duì)方流體的內(nèi)部，最終實(shí)現(xiàn)微尺度下流體高效混合的目23]。其基本混合原理如圖 1.1 所示。

置等集成在微系統(tǒng)內(nèi)，這樣會(huì)使得微混合器的結(jié)構(gòu)變得非常復(fù)雜，，最終加工起來難度較高，成本較大。另一方面，外界能量場(chǎng)驅(qū)動(dòng)源裝置的結(jié)構(gòu)部件一般較大易發(fā)熱，在一定程度上程度上會(huì)影響樣品液與檢測(cè)液的本質(zhì)特性，最終對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成較大的影響，降低了器件的可靠性。被動(dòng)式微混合器要比主動(dòng)式微混合器更容易實(shí)現(xiàn)流體的混合，因?yàn)樗幌裰鲃?dòng)式微混合器那樣需要有外部動(dòng)力源來驅(qū)動(dòng)混合。因其結(jié)構(gòu)簡單、加工方便、可操作性好、可靠性高，所以應(yīng)用前景更加廣泛。被動(dòng)式微混合器一般通過改變微通道的結(jié)構(gòu)、組成網(wǎng)絡(luò)、設(shè)置支流、通道內(nèi)部設(shè)置阻礙物等方法來打亂微流體原本的穩(wěn)定流動(dòng)狀態(tài)，從而增加不同流體之間的接觸面積、增強(qiáng)流體的混沌對(duì)流作用，達(dá)到提高混合效果的目的。被動(dòng)式混合器的弱點(diǎn)在于有的微通道結(jié)構(gòu)特別復(fù)雜，加工難度較高，而且容易堵塞通道，降低了使用可靠性；有的要經(jīng)過很長的混合通道才能實(shí)現(xiàn)不同流體的完全混合，增加了器件體積和加工成本。其具體分類如圖 1.2 所示。
【學(xué)位授予單位】：杭州電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TH-39

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本文編號(hào)：2599352