本文關(guān)鍵詞：基于液液非均相體系的混沌微混合器研究與設(shè)計(jì)

  更多相關(guān)文章： 微混合器 液滴 計(jì)算流體力學(xué) 混沌混合

【摘要】：隨著微機(jī)電技術(shù)在化學(xué)化工、生物醫(yī)藥、環(huán)境工程等各個領(lǐng)域的推廣應(yīng)用,相應(yīng)的設(shè)備儀器也朝著微型化與集成化的方向發(fā)展。微混合器作為微流控芯片中的重要組成部分,具有混合效率高、易加工與控制、成本較低和集成性好等優(yōu)點(diǎn),因此微混合器結(jié)構(gòu)的開發(fā)設(shè)計(jì)逐漸成為國內(nèi)外學(xué)者研究熱點(diǎn)之一。由于在微尺度條件下流體流動呈層流狀態(tài),流體混合主要依靠擴(kuò)散作用,為達(dá)到快速高效混合的目的,將混沌混合機(jī)理引入微混合技術(shù)并形成了如鯡魚骨形、三維折疊形和鋸齒形等各種結(jié)構(gòu)的混沌微混合器。本文基于液液非均相體系中液滴的形成與融合技術(shù),將待混合的試劑包裹在液滴內(nèi)部形成一個個獨(dú)立的混合區(qū)域,在液滴內(nèi)循環(huán)以及微通道壁面剪切作用下誘發(fā)內(nèi)部混沌混合效應(yīng),因此可達(dá)到快速高效混合的效果。本文針對液滴式微混合器的研究主要內(nèi)容如下：(1)利用CFD數(shù)值模擬的方法研究十字型微通道中液滴的形成和融合過程,為研究液滴內(nèi)部的混合過程奠定基礎(chǔ)。通過建立十字形微通道模型模擬水油兩相流,研究形成穩(wěn)定液滴流的參數(shù)條件和不同流型的分析控制。分別研究兩相流速、流體粘度和表面張力對形成液滴大小的影響情況,達(dá)到可以通過調(diào)整流體參數(shù)控制形成液滴大小與形成時間的目的。(2)建立三種不同結(jié)構(gòu)的微混合器模型,分別為直通道、V形和U北京化工大學(xué)碩士學(xué)位論文形通道微混合器,采用流體體積函數(shù)(VOF)和標(biāo)量方程法(UDS)模擬微混合器內(nèi)的混合過程。利用標(biāo)量示蹤劑濃度分析的方法比較三種微混合器的混合效果,并且通過分析內(nèi)部壓降大小分析比較各自的能量消耗情況。此外,分析研究各微混合器中液滴內(nèi)部的混合情況以及混合機(jī)理。(3)對V形微混合器內(nèi)的混合機(jī)理以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化展開進(jìn)一步的研究。通過正交試驗(yàn)研究微混合器各結(jié)構(gòu)參數(shù)對混合度以及壓降大小的影響,優(yōu)化該混合器結(jié)構(gòu)使其滿足高效混合同時節(jié)省能耗的要求。由于流體物性參數(shù)也在很大程度上影響著液滴內(nèi)的混合效果,分別研究了水含率、雷諾數(shù)以及毛細(xì)力準(zhǔn)數(shù)對V形微通道混合效率的影響。(4)利用高速攝像機(jī)、微量注射泵以及十字型微通道芯片搭建實(shí)驗(yàn)平臺,觀測油包水液滴的形成和融合過程,并探究流體參數(shù)(兩相流速比、連續(xù)相粘度)對形成液滴大小的影響。將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果對照分析,得出二者有較好的吻合度,且實(shí)驗(yàn)與模擬結(jié)果所得液滴大小隨物性參數(shù)的變化趨勢一致。本文的研究成果為利用液滴式微混合器進(jìn)行試劑混合提供了一定理論依據(jù),也為微混合器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化、操作參數(shù)的設(shè)定提供了一定的參考。
【關(guān)鍵詞】：微混合器 液滴 計(jì)算流體力學(xué) 混沌混合
【學(xué)位授予單位】：北京化工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TN492;TH-39
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-15
• 符號說明15-16
• 第一章 緒論16-28
• 1.1 課題研究背景及意義16-17
• 1.2 微混合器簡介17-24
• 1.2.1 微混合器的分類17-21
• 1.2.2 混沌微混合器21-23
• 1.2.3 微混合器的應(yīng)用23-24
• 1.3 液滴式微混合器研究現(xiàn)狀24-27
• 1.4 本課題的研究內(nèi)容27-28
• 第二章 液液非均相體系中流體流動特性28-38
• 2.1 液液非均相流體數(shù)值模擬研究28-32
• 2.1.1 十字微通道模型建立及參數(shù)設(shè)置28-29
• 2.1.2 模型及控制方程的選擇29-30
• 2.1.3 模擬結(jié)果30-31
• 2.1.4 十字微通道內(nèi)液滴形成機(jī)制31-32
• 2.2 物性參數(shù)對液滴大小的影響32-37
• 2.2.1 水含率的影響32-33
• 2.2.2 連續(xù)相粘度的影響33-34
• 2.2.3 兩相表面張力的影響34-35
• 2.2.4 壁面接觸角的影響35-37
• 2.3 本章小結(jié)37-38
• 第三章 微混合器內(nèi)流體混合過程與性能研究38-50
• 3.1 液滴內(nèi)流體混合過程的數(shù)值模擬38-43
• 3.1.1 微混合器模型建立38-39
• 3.1.2 液滴內(nèi)流體混合數(shù)值模擬39-40
• 3.1.3 液滴內(nèi)混合程度分析40-41
• 3.1.4 微流道內(nèi)壓降能耗分析41-43
• 3.2 混合機(jī)理研究43-47
• 3.2.1 微液滴內(nèi)混沌混合現(xiàn)象43-45
• 3.2.3 液滴的內(nèi)循環(huán)作用45-47
• 3.3 本章小結(jié)47-50
• 第四章 V形微通道混合器結(jié)構(gòu)優(yōu)化與混合過程研究50-62
• 4.1 微通道結(jié)構(gòu)參數(shù)對液滴內(nèi)流體混合效果的影響50-55
• 4.1.1 V形微通道結(jié)構(gòu)參數(shù)正交試驗(yàn)50-52
• 4.1.2 彎道角度大小對混合效果的影響52-55
• 4.2 操作條件對液滴內(nèi)流體混合效果的影響55-60
• 4.2.1 水含率的影響55-57
• 4.2.2 雷諾數(shù)的影響57-59
• 4.2.3 毛細(xì)數(shù)的影響59-60
• 4.3 本章小結(jié)60-62
• 第五章 十字型微通道液滴形成實(shí)驗(yàn)62-72
• 5.1 實(shí)驗(yàn)方法簡介62-65
• 5.1.1 實(shí)驗(yàn)裝置及流程62-63
• 5.1.2 儀器設(shè)備63-64
• 5.1.3 實(shí)驗(yàn)試劑64-65
• 5.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論65-71
• 5.2.1 微液滴形成過程65-66
• 5.2.2 液滴成型的影響因素分析66-69
• 5.2.3 實(shí)驗(yàn)與模擬結(jié)果對照69-71
• 5.3 本章小結(jié)71-72
• 第六章 結(jié)論與展望72-74
• 6.1 結(jié)論72-73
• 6.2 展望73-74
• 參考文獻(xiàn)74-78
• 致謝78-80
• 研究成果及發(fā)表的學(xué)術(shù)論文80-82
• 作者和導(dǎo)師簡介82-83
• 附件83-84

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本文編號：519961