Y型微管道中磁性纳米液体对混合率的影响.doc

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1、中国微米纳米技术·第八届学术年会·会议征文投稿Y型微管道中磁性纳米液体对混合率的影响李振国1,2李战华1*1.中国科学院力学研究所LNM，北京，1000802.中国科学技术大学力学与机械工程系，安徽，合肥，230027*lili@imech.ac.cn摘要：本文利用流动显示手段观测了Y型微管道内含纳米磁性颗粒的液体与去离子水的混合。研究了在Re=0.5-4，磁性颗粒体积分数0.38%-1.54%时，外加静磁场（场强40Gs）对液体混合地影响。证实了磁场作用可以使完全混合长度大大缩短。同时初步分析了Re和体积分数ф对混合长度的影响。关键词：Y型微管道磁性

2、纳米颗粒静磁场混合效率EffectsofFluidswithMagneticNano-particlesinYshapeMicrochannelsonthemixingrateZhenGuoLI1,2,ZhanhuaSILBER-LI1*1.LNM,InstituteofMechanics,ChineseAcademyofSciences,Beijing1000802.DepartmentofModernMechanics,UniversityofScienceandTechnologyofChina,Hefei,Anhui,230027Abstrac

3、t:Thispaperpresentsastudyaboutthemixingofmagneticnano-fluidanddeionizedwaterinaY-shapemicro-channel.Theeffectofstaticmagneticfield(magneticfluxdensity40Gs)onthemixingisinvestigatedatthecaseofRe=0.5-4,andthevolumefractionrespectivelyfrom0.38%to1.54%.Theresultsshowthatthemixinglen

4、gthislargelyreducedbythestaticmagneticfield.AndtheeffectsofReandthevolumefractiononthemixinglengthareanalyzed.Keywords:Y-shapemicro-channel,Magneticnano-particle,Staticmagneticfield,Mixingrate1.引言随着MEMS/NEMS技术的发展，微尺度下的流动和流动控制问题也日益引起广泛的关注。微流控芯片中，液体流动的Re数很低（≤1），液体的混合以扩散为主。如果液体扩散系数

5、D=10-9mm2/s，对100微米宽的流道所需混合长度将接近几十厘米甚至上百厘米。如何有效提高混合来缩短混合长度是微流控芯片中的一个重要问题。VolkerHesseld等[1]综述了各种提高混合率的方法，总体上可以分为被动式和主动式两大类。被动式混合通常采用改变流道的几何形状来增强混合，如Gobby等[2]使用CFDRC软件计算了气体在不同夹角的Y型管道中的混合问题。但这类方法通常需要复杂的三维几何结构，而且在极低的Re数下，其效率也不高。主动式混合则通过外力的作用，如动电（electrokinetic）诱导循环、超声波振动、磁场力等[1]促进混合。

6、近年来，磁场在微芯片中的应用受到人们的广泛关注[3-4]，通过在液体内引进磁性颗粒（或有些液体本身内部含有磁性颗粒），外加磁场力可以改变液体内磁性粒子的运动状态，达到控制液体流动的目的。Rida等[5]研究了不同频率正弦磁场对Y型微管道中混合的影响，在流速为0.5cm/s时，仅需400um就可以达到95%的混合率。Sibani等[6]研究了旋转磁场下固相颗粒集聚成柔性链的挠度(flexibility)对混合的影响。他们发现随着磁场旋转频率的提高，会有效的提高混合的效果。本文通过实验，研究了恒定对称双点磁极磁场下，Y型微流道内，磁性液体浓度、流速的变化对

7、混合率的影响。本实验使用Fe3O4纳米磁性颗粒,可以用铁磁流体的运动方程和浓度扩散方程[7]来描述，方程如下：（1）（2）其中是流体速度，是液体密度，是重力，是压力梯度，是液体处于外磁场中的动力粘性系数，是真空磁导率，是磁化强度，为外磁场强度，为浓度，扩散系数。1.实验装置和方法1.1流场测量装置实验在中国科学院力学研究所LNM实验室进行。由倒置荧光显微镜（Olympus，Ix71）和光量子探测器（AndornIxonX-1807）组成流场观测系统，其中显微镜物镜有10×/0.7、60/0.7、100/1.35三种规格，光量子探测器的采样频率为35Hz

8、（图1）。图1流场测量装置实物图1.2微管道及驱动装置使用软光刻[8-10]的方法用PDMS（