摘 要：設計了一種在五邊形混合腔內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,強化流體擾動,打破流體流動的層流狀態,可有效地促進流體混合。通過高速攝影和Micro-PIV 系統相結合, 觀察了在不同雷諾數(Re)下微混合器的流動特性及混合機理。

1 引言

被動式微混合器主要通過優化設計微通道的結構改變流體的運動軌跡,打破流體的層流狀態,完成混合,具有結構簡單、加工便捷、運行穩定、易于集成等優勢 ,在化學合成和檢測分析領域應用廣泛。在納米粒子合成領域,利用兩種化學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晶,與傳統方法相比,具有靈活性和可控性高的優點。

被動式微混合器的主要設計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,強化對流,實現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變為有旋渦流動模式,混合強度呈現先減小后增大的趨勢 。

化學合成和分析檢測領域,被動式微混合器具有廣闊的應用前景,其中在混合腔內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構的射流效應可有效提高混合強度。本研究結合擋板成渦原理和微噴嘴的射流效應,設計了一種在五邊形混合腔內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,并總結其變

化規律及不同Re下的混合機理。

2 結構模型

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 個結構變量。

圖1混沌式微混合器結構示意圖

3 研究方法及可行性驗證

利用如圖2所示的高速攝影系統和Micro-PIV系統對微混合器內流體的混合效果與流動狀態進行研究。微混合器芯片采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)材質制作而成。實驗中流體由微注射泵注入微流控芯片中。利用高速攝影系統拍攝混合效果時，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系統對微通道中流體流動狀態拍攝時，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產生的熒光信號最終處理得到流體的流場。

圖 2 實驗設備示意圖

4 結果與討論

（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w1/ w為1/15,Re在0.1和在5 ~80區間下,M均大于90%,混合效果遠優于其它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散距離和時間變短,分子擴散更加充分。同時,隨著w1/w減小,流體以更快的速度流出窄縫單元,使射流效應增強,且流體高速撞擊到障礙物上更易于誘導混沌對流,渦流有助于打破層流狀態,加速不同流體工質間的混合,進而M增加。

由圖 3B 可知,隨著w1/w減小,P增強,且隨著Re增大,不同w1下的P均保持上升趨勢。w1/w減小,內部旋渦區增多且范圍增大, 導致壓力損失增加,P增幅較大。當w1 /w為1/15 時,微混合器內部遠大于其它4種w1/w,在Re=80時,P達到最大,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構參數,在對壓降要求不大的應用中, w1/w為1/15的微混合器可以實現溶液充分混合。

圖 3 不同雷諾數(Re)下 w1/w對混合性能的影響:(A)混合強度; (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，分別為設計的五邊形結構和四邊形結構。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散,當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,流體分子間的擴散距離和時間均變短,分子擴散更加充分,進而 M 增加。

  Re在5 ~80 之間時,溶液混合主要依靠對流擴散,其中當Re為10和40時,兩種微混合器混合溶液質量分數和流線分布變化如圖6 所示,旋渦處的溶液混合更加充分,旋渦的產生促進了溶液間的混合。當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,對溶液混合的促進作用明顯弱于四邊形混合腔微混合器。當 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,同時漸擴的混合腔結構使得障礙物前端的空間減小,流體間擴散距離縮短,對流擴散效應明顯增強,從而導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)混合強度; (B)壓降

圖 6 微混合器平面內混合溶液質量分數和流線圖: (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。五邊形混合腔的P低于四邊形混合腔,這是因為當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轉變成了漸擴,局部損失大大減小,導致P減小。綜合考慮混合腔結構對M和P的影響,當 Re 5 和 Re20時,經過優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,由于引入了漸擴結構, 可在壓降減小的同時實現混合強度提升,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

在強化流體對流的基礎上,以矩形擋板為原型,設計凹槽和工字形擋板 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 區間內,3 種障礙物對應的微混合器的M基本一致,此時混合主要依靠分子擴散,障礙物形狀對分子擴散的影響并不大。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。其中,凹槽擋板引起的P略高于另外兩種障礙物形狀,這是因為凹槽擋板改變了障礙物附近流體的流動方向,使流體之間的碰撞加劇,內部能量損失嚴重, 導致沿程阻力增大。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量分數和流線分布圖: (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量分數和流線分布變化,如圖 8所示。Re=0.1時,三者的M基本一致,內部流體的流動狀態都是層流,流動速度小,流體在通道中的停留時間相對延長,不同流體分子間擴散充分,混合效果較好。Re=20時,凹槽擋板的混合效果最優,工字形擋板次之,矩形擋板最差。此時微混合器內均出現旋渦,旋渦的出現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,導致渦流的影響范圍最大,相比另外兩種障礙物,對流增強,混合性能提高。

5 結論

窄縫寬度、混合腔形狀以及障礙物形狀等微通道幾何構型參數影響微混合器的混合性能。 優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形成多個旋渦區,從而強化流體擾動,增大流體間的接觸面積,促進對流效應,改善混合效果,在分析檢測領域有助于樣本與試劑的充分混合。

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