混沌流微混合器的性能优化

为提高低雷诺数层流条件下被动式微混合器的效率,依据"三维马蹄变换"数学模型,对流体进行"挤压拉伸""弯曲折叠""二次折叠"和"逆变换-交集"操作,得到了一款包含6个混合单元,总长度为15 mm的混沌流微混合器。仿真研究表明:在"低流速-扩散主导"阶段u=2×10^(-4)m/s时,t=300 s后混合器进入稳定混合状态,出口处的混合指数α_(Outlet)=97.82%;在"中流速-湍流发展"阶段u=5×10^(-3)m/s时,t=70 s后进入稳定混合状态,经3个混合单元后混合指数α_(Inlet4)=98.89%;在"高流速-湍流主导"阶段u=8×10^(-2)m/s时,t=22 s后进入稳定混合状态,经2个混合单元后混合指数α_(Inlet3)=99.35%。采用基于面投影微立体光刻的3D打印技术整体制备了混合器芯片,借助显微镜用可视化方法对不同进样流速下的混合器性能进行了验证,示踪剂颜色变化实验结果与表面浓度云图的仿真结果一致。

依据马蹄变换的混沌流微混合器

为了实现微流控芯片对痕量试样的快速、均匀混合,依据"马蹄变换"数学模型,对流体进行"挤压拉伸"、"弯曲折叠"和"逆变换-交集"操作.基于此借助符号动力学系统计算出了"马蹄变换"后的李雅普诺夫指数,从理论上证明了,当满足"挤压"幅度0<λ<1/2且"拉伸"幅度μ>2时,上述操作能够在低雷诺数的层流条件下,成功诱发混沌流.在此基础上,设计并制作了一款由4个"马蹄变换"混合单元组成,有效混合距离为13 mm的微混合器.利用COMSOL软件得到的数值仿真结果表明:当Re≥1时,流体的佩克莱数Pe≥10,此时微混合器诱发的混沌流将随着流速的加快而增强,并逐步成为促进混合的主要因素;当Re=10时,经4个混合单元后,试样的浓度方差σ=0.054,混合效果接近均匀.对微混合器芯片进行的可视化测试结果表明,荧光显微镜拍摄到的示踪剂颜色变化与仿真结果中的表面浓度云图一致;而不同pH试样的混合测试结果则证明了,基于"马蹄变换"数学模型设计的微混合器能够产生混沌流且实际效果理想.

基于格子Boltzmann方法的混沌微混合器仿真研究

微混合器是生物微流体芯片的重要组成部分,其通道特征尺寸一般在几十到几百微米,采用常规的流体有限元法很难获得令人满意的分析效果。本文采用格子Boltzmann方法对微混合器的特性进行模拟分析。通过对两种斜槽式底面混沌微混合器通道的流场速度进行计算,模拟痕量样品粒子在载体流中的整个分散混合过程,研究了样品粒子混合的标准偏差与混合距离的关系,发现其符合高斯曲线的规律。上述仿真研究结果与相关文献的实验数据非常一致。表明格子Boltzmann方法可以作为微流体混合器及微流体芯片设计中的一种有效的分析工具。

被动式微流控混合器的研究进展

微流控混合器是微流控芯片的重要组成部分,是完成微量样品快速混合的一个功能部件。综述了国内外微流控混合器的最新研究进展,论述了微流控混合器的混合机理、设计方法、制作工艺、材料选择及应用等。微流控混合器分为主动式微流控混合器和被动式微流控混合器。主动式微流控混合器主要依靠外部力源实现微量样品的混合,如磁致微流控混合器、电极式微流控混合器和压电/超声波微流控混合器等。主动式微流控混合器结构复杂,因此不易与其他微流控功能器件集成。被动式微流控混合器制作工艺相对简单,易于集成,耗能低,应用广泛,已经在化学工程与生物工程中得到应用。

微反应系统合成硝化甘油的工艺研究

为推动微化工技术在硝化甘油合成中的应用,通过自主设计的混沌式微混合器,以甘油、硝酸和硫酸为原料,研究了微反应系统连续合成硝化甘油的工艺。探究了微流道尺寸、反应物摩尔比及反应温度对微混合器内硝化甘油产率的影响,确定了最佳工艺条件:微流道直径1.0 mm,反应温度19℃,反应时间5 min,甘油与硝酸的摩尔比1.04.5;此时,硝化甘油产率为50.9%,纯度为98.9%。