摘 要：設(shè)計(jì)了一種在五邊形混合腔內(nèi)布置窄縫和障礙物的新型平面被動式微混合器,充分利用流體的射流特性及擋板成渦原理,強(qiáng)化流體擾動,打破流體流動的層流狀態(tài),可有效地促進(jìn)流體混合。通過高速攝影和Micro-PIV 系統(tǒng)相結(jié)合, 觀察了在不同雷諾數(shù)(Re)下微混合器的流動特性及混合機(jī)理。

1 引言

被動式微混合器主要通過優(yōu)化設(shè)計(jì)微通道的結(jié)構(gòu)改變流體的運(yùn)動軌跡,打破流體的層流狀態(tài),完成混合,具有結(jié)構(gòu)簡單、加工便捷、運(yùn)行穩(wěn)定、易于集成等優(yōu)勢 ,在化學(xué)合成和檢測分析領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。在納米粒子合成領(lǐng)域,利用兩種化學(xué)溶液在微混合器中充分混合可以制備具有功能性的納米顆粒結(jié)晶,與傳統(tǒng)方法相比,具有靈活性和可控性高的優(yōu)點(diǎn)。

被動式微混合器的主要設(shè)計(jì)思路是通過在微通道中嵌入障礙物,分 裂、拉伸、折疊和破壞流體的流動形態(tài),強(qiáng)化對流,實(shí)現(xiàn)不同流體的高效混合。在低Re下,隨Re增大,微混合器中的流體逐漸從無旋渦流動模式轉(zhuǎn)變?yōu)橛行郎u流動模式,混合強(qiáng)度呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢 。

化學(xué)合成和分析檢測領(lǐng)域,被動式微混合器具有廣闊的應(yīng)用前景,其中在混合腔內(nèi)布置矩形擋板的微混合器是研究較多且混合性能較好的被動式微混合器,在微通道中引入微噴嘴結(jié)構(gòu)的射流效應(yīng)可有效提高混合強(qiáng)度。本研究結(jié)合擋板成渦原理和微噴嘴的射流效應(yīng),設(shè)計(jì)了一種在五邊形混合腔內(nèi)布置障礙物和窄縫的新型平面被動式微混合器,綜合考慮混合強(qiáng)度和壓降的影響,研究了窄縫寬度、混合腔形狀和障礙物的形狀對混合性能的影響,并總結(jié)其變

化規(guī)律及不同Re下的混合機(jī)理。

2 結(jié)構(gòu)模型

平面混沌式微混合器,如圖1 所示。窄縫寬度 w 1 、混合腔形狀、障礙物形狀作為研究的3 個結(jié)構(gòu)變量。

圖1混沌式微混合器結(jié)構(gòu)示意圖

3 研究方法及可行性驗(yàn)證

利用如圖2所示的高速攝影系統(tǒng)和Micro-PIV系統(tǒng)對微混合器內(nèi)流體的混合效果與流動狀態(tài)進(jìn)行研究。微混合器芯片采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)材質(zhì)制作而成。實(shí)驗(yàn)中流體由微注射泵注入微流控芯片中。利用高速攝影系統(tǒng)拍攝混合效果時，將用去離子水稀釋10倍的黑色墨水溶液注入微混合器入口中，同時將去離子水等速注入到入口2和3中。通過Micro-PIV系統(tǒng)對微通道中流體流動狀態(tài)拍攝時，3個入口均等速注入含有直徑1微米示蹤粒子的去離子水，通過示蹤粒子被激發(fā)產(chǎn)生的熒光信號最終處理得到流體的流場。

圖 2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備示意圖

4 結(jié)果與討論

（1）窄縫寬度對混合性能的影響

取 w1/w1/15、2/15、1/5、4/15 和1/3(即w分別取為20、40、60、80和100 微米,w為300微米),到M和P的結(jié)果如圖3所示。由圖5A可知,隨著w1/w減小,M顯著增大,其中當(dāng)w1/ w為1/15,Re在0.1和在5 ~80區(qū)間下,M均大于90%,混合效果遠(yuǎn)優(yōu)于其它4種w1 / w。這是由于較小的w1/w會有效擠壓通過窄縫單元的流體,不同流體分子間的擴(kuò)散距離和時間變短,分子擴(kuò)散更加充分。同時,隨著w1/w減小,流體以更快的速度流出窄縫單元,使射流效應(yīng)增強(qiáng),且流體高速撞擊到障礙物上更易于誘導(dǎo)混沌對流,渦流有助于打破層流狀態(tài),加速不同流體工質(zhì)間的混合,進(jìn)而M增加。

由圖 3B 可知,隨著w1/w減小,P增強(qiáng),且隨著Re增大,不同w1下的P均保持上升趨勢。w1/w減小,內(nèi)部旋渦區(qū)增多且范圍增大, 導(dǎo)致壓力損失增加,P增幅較大。當(dāng)w1 /w為1/15 時,微混合器內(nèi)部遠(yuǎn)大于其它4種w1/w,在Re=80時,P達(dá)到最大,為248 kPa。綜上所述,w1是影響微混合器混合性能的重要幾何結(jié)構(gòu)參數(shù),在對壓降要求不大的應(yīng)用中, w1/w為1/15的微混合器可以實(shí)現(xiàn)溶液充分混合。

圖 3 不同雷諾數(shù)(Re)下 w1/w對混合性能的影響:(A)混合強(qiáng)度; (B)壓降

（2） 混合腔形狀對混合性能和流動特性的影響

固定w1為40微米，帶障礙物的混合腔形狀如圖4所示，分別為設(shè)計(jì)的五邊形結(jié)構(gòu)和四邊形結(jié)構(gòu)。微混合器的M和P隨Re變化情況如圖5所示。

圖4 不同形狀的混合腔:(A)五邊形混合腔微混合器; (B)四邊形混合腔微混合器

由圖5A可見,兩種混合腔形狀在Re為0.1 ~80 時對 M 的影響趨勢一致。Re在 0. 1 ~1. 0之間,M 隨Re的增加而下降。Re在1 ~80 之間,M 隨 Re 的增加而上升。其中,Re在0.1 ~1. 0之間時,溶液混合主要依靠分子擴(kuò)散,當(dāng)混合腔形狀從四邊形改變成五邊形時,混合腔中障礙物前端的空間明顯減小,流體分子間的擴(kuò)散距離和時間均變短,分子擴(kuò)散更加充分,進(jìn)而 M 增加。

  Re在5 ~80 之間時,溶液混合主要依靠對流擴(kuò)散,其中當(dāng)Re為10和40時,兩種微混合器混合溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)和流線分布變化如圖6 所示,旋渦處的溶液混合更加充分,旋渦的產(chǎn)生促進(jìn)了溶液間的混合。當(dāng)Re=10時,四邊形混合腔微混合器 M 高于五邊形混合腔微混合器,主要由于五邊形混合腔微混合器在障礙物前形成的旋渦較小,對溶液混合的促進(jìn)作用明顯弱于四邊形混合腔微混合器。當(dāng) Re=40時,五邊形混合腔微混合器在障礙物前形成的旋渦明顯變大,同時漸擴(kuò)的混合腔結(jié)構(gòu)使得障礙物前端的空間減小,流體間擴(kuò)散距離縮短,對流擴(kuò)散效應(yīng)明顯增強(qiáng),從而導(dǎo)致五邊形混合腔微混合器的 M 高于四邊形混合腔微混合器。

圖 5 不同 Re 下混合腔形狀對混合性能的影響: (A)混合強(qiáng)度; (B)壓降

圖 6 微混合器平面內(nèi)混合溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)和流線圖: (A)Re=10,五邊形混合腔微混合器; (B)Re=40,五邊形混合腔微混合器; (C)Re=10,四邊形混合腔微混合器; (D)Re=40,四邊形混合腔微混合器

由圖 5B 可見,兩種混合腔形狀在Re為0.1 ~80時對P的影響趨勢一致,都是隨著Re的增加而增強(qiáng)。五邊形混合腔的P低于四邊形混合腔,這是因?yàn)楫?dāng)混合腔形狀由四邊形改變成五邊形時,流體從窄縫流入混合腔的形式從突擴(kuò)轉(zhuǎn)變成了漸擴(kuò),局部損失大大減小,導(dǎo)致P減小。綜合考慮混合腔結(jié)構(gòu)對M和P的影響,當(dāng) Re 5 和 Re20時,經(jīng)過優(yōu)化后的五邊形混合腔微混合器與四邊形混合腔微混合器相比,由于引入了漸擴(kuò)結(jié)構(gòu), 可在壓降減小的同時實(shí)現(xiàn)混合強(qiáng)度提升,混合性能也顯著提升。

（3） 障礙物形狀對混合性能和流動特性的影響

在強(qiáng)化流體對流的基礎(chǔ)上,以矩形擋板為原型,設(shè)計(jì)凹槽和工字形擋板 3 種障礙物的形狀如圖7所示。w1 =40微米,障礙物分別為矩形擋板、凹槽擋板和工字形擋板時,得到的M和P如圖8所示。由圖8A可見,3種障礙物在Re為0.1 ~80時對M的影響趨勢一致。Re在0.1 ~1 之間,M隨 Re的增加而下降。Re在1 ~80中間,M 隨Re的增加而上升。其中,Re 在0.1 ~1 區(qū)間內(nèi),3 種障礙物對應(yīng)的微混合器的M基本一致,此時混合主要依靠分子擴(kuò)散,障礙物形狀對分子擴(kuò)散的影響并不大。Re在5 ~20 之間,凹槽擋板的M高于另外兩種障礙物。Re=20 時,凹槽擋板的M分別比工字形擋板和矩形擋板的M高1.4%和13.6%。Re在40 ~60之間,工字形擋板 M高于另外兩種障礙物。Re=40時,工字形擋板的M分別比凹槽擋板和矩形擋板的M高0.6%和8.8%。Re=80時,3種障礙物對應(yīng)的微混合器M又趨于一致。

由圖8B可知,3種障礙物在Re在0.1 ~80之間,對P的影響趨勢一致,都是隨著Re的增加而增強(qiáng)。其中,凹槽擋板引起的P略高于另外兩種障礙物形狀,這是因?yàn)榘疾蹞醢甯淖兞苏系K物附近流體的流動方向,使流體之間的碰撞加劇,內(nèi)部能量損失嚴(yán)重, 導(dǎo)致沿程阻力增大。Re=80時,凹槽擋板的壓降P=72kPa,比矩形擋板高7kPa。

圖 7 3 種不同形狀的障礙物: (A)矩形擋板; (B)凹槽形擋板; (C)工字形擋板

圖8 微混合器混合溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)和流線分布圖: (A)Re=0.1,矩形擋板; (B)Re=20,矩形擋板; (C)Re=0.1,凹槽形擋板; (D)Re=20,凹槽形擋板; (E)Re = 0.1,工字形擋板;(F)Re=20,工字形擋板

Re 為0.1和20時,3種不同障礙物微混合器混合溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)和流線分布變化,如圖 8所示。Re=0.1時,三者的M基本一致,內(nèi)部流體的流動狀態(tài)都是層流,流動速度小,流體在通道中的停留時間相對延長,不同流體分子間擴(kuò)散充分,混合效果較好。Re=20時,凹槽擋板的混合效果最優(yōu),工字形擋板次之,矩形擋板最差。此時微混合器內(nèi)均出現(xiàn)旋渦,旋渦的出現(xiàn)有利于不同流體在展向方位上相互碰撞、滲透。由于凹槽擋板在流體來流方向上的下陷距離最長,導(dǎo)致渦流的影響范圍最大,相比另外兩種障礙物,對流增強(qiáng),混合性能提高。

5 結(jié)論

窄縫寬度、混合腔形狀以及障礙物形狀等微通道幾何構(gòu)型參數(shù)影響微混合器的混合性能。 優(yōu)化后的平面混沌式微混合器,利用射流特性加劇流體間的碰撞,同時利用擋板成渦原理在障礙物兩側(cè)形成多個旋渦區(qū),從而強(qiáng)化流體擾動,增大流體間的接觸面積,促進(jìn)對流效應(yīng),改善混合效果,在分析檢測領(lǐng)域有助于樣本與試劑的充分混合。

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