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被动式微混合器混合特性的数值模拟

作　者: 韩克江
导　师: 张树生
学　校: 山东大学
专　业: 机械设计及理论
关键词: 微流控芯片微混合器数值模拟扩散对流传质混合性能
分类号: TN492
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

微流控芯片是一种采用微细加工技术,在数平方厘米大小的基片上,制作出微通道网络结构及其它功能单元,以实现集微量样品制备、进样、处理（过滤、稀释、混合、反应）、分离、检测于一体的快速、高效、低耗的微型分析试验装置。有效地控制扩散和混合能够提高化学和生物分析的效率,对微流控芯片的广泛应用具有十分重要的意义。微混合器是微流控芯片的重要部件之一,它的混合能力决定着微流控芯片性能。影响微流体混合的因素有很多,如入口速度、扩散系数、深宽比等。本文通过CFD数值模拟的方法分别对三种类型微混合器进行研究。在对Y型直通道微混合器的研究中发现,液体的入口速度和扩散系数对混合有较大的影响,随着入口速度和扩散系数的增大,其混合效果逐渐的变差。入口角度对混合有一定影响,但影响较小。随着深宽比的增大,其混合性能逐渐的增强,但当H/W=1后,H/W变化对微混合器的混合性能的影响很小。对于以对流传质为主的Z型通道微混合器,入口速度对混合有很大的影响,而扩散系数对混合的影响较小。S/W=2在各种速度条件下均能取得较好的混合效果。Z型通道微混合器的转角越小,其混合性能越高。随着H/W比值的增大,其混合指数逐渐的减小,当H/W＞=0.6时,H/W变化对混合器的混合性能没有影响。对内肋型微混合器进行数值模拟得出,入口速度对混合影响较大,而扩散系数对混合的影响较小。内肋的横向宽度W₁越大,产生的漩涡强度越大,混合性能越好。随着P/W值得增加,混合器的混合性能增强。随着H/W比值的增大,其混合指数逐渐的减小,当H/W＞=0.6时,H/W变化对混合器的混合性能没有影响。对三种微混合器混合性能进行对比,得出内肋型微混合器在各种速度条件下的混合性能要优于其它两种微混合器。在压力损失的分析中,随着流量越来越大,其压力损失也越来越大;内肋型微混合器的压力损失最大,Z型微混合器的次之。总之,本文通过数值模拟的方法系统地研究了液体参数和微混合器的结构参数对混合的影响规律,对微混合器的优化设计和开发应用具有一定的指导意义。

全文目录

目录  5-8
CONTENTS  8-11
摘要  11-12
ABSTRACT  12-14
主要符号表  14-16
第1章绪论  16-28
  1.1 微流控芯片国内外研究现状  16-18
    1.1.1 微流控芯片概述  16-17
    1.1.2 微流控芯片的优点  17-18
    1.1.3 微流控芯片的应用领域  18
  1.2 微流体混合器的分类  18-25
    1.2.1 主动式微混合器  18-20
    1.2.2 被动式微混合器  20-25
  1.3 本课题研究的意义和目的  25-26
  1.4 本课题的主要研究内容  26-28
第2章微流体混合的理论基础  28-40
  2.1 微流体流动特性及影响因素  28-34
    2.1.1 微流体力学研究现状  28-30
    2.1.2 微流体的流动特性  30-32
    2.1.3 影响微流体流动的主要因素  32-34
  2.2 微流体的混合机理及性能评价  34-38
    2.2.1 微流体的扩散机理  34-35
    2.2.2 微流体混合的控制方程  35-36
    2.2.3 强化微流体混合的方法  36-37
    2.2.4 微流体的混合性能评价  37-38
  2.3 本章小结  38-40
第3章 Y型直通道微混合器的数值模拟  40-54
  3.1 微混合器的模型和模型验证  40-42
    3.1.1 微混合器的模型  40-41
    3.1.2 数值模拟方法的验证  41-42
  3.2 二维Y型直通道微混合器的数值模拟  42-47
    3.2.1 入口速度对混合的影响  42-43
    3.2.2 扩散系数对混合的影响  43-44
    3.2.3 粘度对混合的影响  44-45
    3.2.4 入口角度对混合的影响  45-47
  3.3 三维Y型直通道微混合器的数值模拟  47-52
    3.3.1 微混合器的三维模型  47-48
    3.3.2 入口速度对混合的影响  48-49
    3.3.3 深宽比(H/W)对混合的影响  49-50
    3.3.4 上下壁面对混合的影响  50-52
  3.4 本章小结  52-54
第4章 Z型通道微混合器的数值模拟  54-66
  4.1 Z型微混合器结构模型  54
  4.2 二维Z型通道微混合器的数值模拟  54-61
    4.2.1 入口速度对混合的影响  55-57
    4.2.2 扩散系数对混合的影响  57-58
    4.2.3 S/W对混合的影响  58-60
    4.2.4 转角(θ)对混合的影响  60-61
  4.3 三维Z型通道微混合器的数值模拟  61-65
    4.3.1 入口速度对混合的影响  61-63
    4.3.2 深宽比(H/W)对混合的影响  63-65
  4.4 本章小结  65-66
第5章内肋型微混合器的数值模拟  66-78
  5.1 内肋型微混合器结构模型  66
  5.2 二维内肋型微混合器的数值模拟  66-73
    5.2.1 入口速度对混合的影响  67-68
    5.2.2 扩散系数对混合的影响  68-70
    5.2.3 内肋的横向宽度W1对混合的影响  70-71
    5.2.4 P/W对混合的影响  71-73
  5.3 三维内肋型微混合器的数值模拟  73-76
    5.3.1 入口速度对混合的影响  73-74
    5.3.2 深宽比(H/W)对混合的影响  74-76
  5.4 本章小结  76-78
第6章三种微混合器的混合性能对比和压力损失分析  78-84
  6.1 三种微混合器的结构模型  78
  6.2 在不同速度条件下的混合性能对比  78-80
  6.3 三种微混合的压力损失分析  80-82
  6.4 本章小结  82-84
总结与展望  84-86
参考文献  86-92
攻读硕士期间发表的学术论文及获得奖励  92-94
致谢  94-95
学位论文评阅及答辩情况表  95

被动式微混合器混合特性的数值模拟

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