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被动式微流体混合器的通道拓扑优化

作　者: 高清勇
导　师: 宣明
学　校: 中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所）
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: 拓扑优化有限元微混合器 Navier-Stokes方程 Convection-Diffusion方程
分类号: TH703
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 48次
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内容摘要

微流体混合器是微流控芯片的重要组成部分,其作用是实现生物试样与试剂的快速混合,可用于化学分析、基因分析和蛋白质分析,对于实现快速和高效的检测分析具有十分重要的意义。被动式微混合器在微流控系统中有着广泛的应用,但其设计方法大多仍采用经验与试凑法。基于拓扑优化的系统性设计方法在2008年由Andreasen等人首次提出。本文在Andreasen等人工作的基础上,进一步讨论了设计区域和制造约束对混合效率的影响,提出了高设计深度、大间距的新型被动式混合单元构型。本文基于连续形式的不可压缩Navier-Stokes流体的控制方程以及对流扩散方程,给出了进行混合分析的有限元离散形式以及数值解法。针对微混合器设计问题给出了优化模型,以GLS稳定方法对目标函数进行了有限元离散,并以Petrov- Galerkin/Compensated稳定方法分析了伴随敏度。采正六面体网格,在Re=10情况下,以进出口的压力差作为约束条件,给出了3D模型下直通道混合器的优化算例,得到了收敛性比较好的优化结果,相比于直通道混合效率最大提高了3倍。针对不同的压差系数β和制造约束条件,分析了约束条件对优化结果的影响。最后,设计了微混合器的混合实验,结果显示,优化结构的混合效果与实验结果较吻合。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-10
第1章绪论  10-24
  1.1 微流控芯片概述  10-12
    1.1.1 发展简史  10-11
    1.1.2 微流控芯片的基本特征  11
    1.1.3 微尺度下流体的基本特征  11-12
  1.2 微混合技术  12-21
    1.2.1 微混合器类型  13-14
    1.2.2 被动式微混合器  14-19
    1.2.3 主动式微混合器  19-21
  1.3 微混合器的特点  21
  1.4 微流体混合的主要研究方法  21-22
  1.5 论文主要内容  22-24
第2章微流体基本理论  24-29
  2.1 不可压缩流体理论  24-25
  2.2 不可压缩Navier-Stokes流体方程  25-27
  2.3 对流扩散方程  27-28
  2.4 本章小结  28-29
第3章有限元计算  29-33
  3.1 弱形式  30
  3.2 方程的线性化  30-33
第4章拓扑优化  33-49
  4.1 优化模型  34-36
  4.2 控制方程弱形式  36-37
  4.3 伴随敏度分析  37-39
  4.4 优化设计  39-40
  4.5 设计实例  40-46
  4.6 优化结果后验  46-47
  4.7 本章小结  47-49
第5章微混合器芯片实验  49-57
  5.1 微混合器的制作  50-55
    5.1.1 制作材料及环境  50-52
    5.1.2 硅模具制作  52-54
    5.1.3 微混合器器件制作  54-55
  5.2 混合实验  55-56
  5.3 本章小结  56-57
第6章总结与展望  57-58
  6.1 总结  57
  6.2 展望  57-58
参考文献  58-62
在学期间学术成果情况  62-63
指导教师及作者简介  63-64
致谢  64

被动式微流体混合器的通道拓扑优化

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