被动微混合器的设计与数值模拟

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1、浙江工业大学硕士学位论文被动微混合器的设计与数值模拟作者姓名：汪甜指导教师：张端副教授浙江工业大学信息工程学院2014年4月DissertationSubmittedtoZhejiangUniversityofTechnologyfortheDegreeofMasterDesignandNumericalSimulationofPassiveMicromixersCandidate：TianWangAdvisor：AssociateProf．DuanZhangCollegeofInformationEngineeringZhe

2、jiangUniversityofTechnologyApr．2014浙江工业大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。作者签名：论劫日期伽1牛年口5月识日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文

3、的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1、保密口，在年解密后适用本授权书。2、不保瓤(请在以上相应方框内打“√”)作者签名：：妙埘刷程轹认日日砂一矿月月、哪≮忙fW力～：16躺粝日日浙江工业大学硕士学位论文被动微混合器的设计与数值模拟摘要微型化是当今科学技术生产的重要发展方向。伴随着微机电系统的迅速发展与广泛应用，以微加工技术为依托

4、的微流控系统也在降低对分析人员的要求下实现分析实验室的“个人化”。微混合器和微流体混合作为微流控系统中的研究重点，在生物医学、电子机械、材料科学、环境卫生、军事国防、航天航空等领域得到了广泛应用。由于微尺度环境下流体的雷诺数数很低，微通道内的微流体以层流形式的流动形态存在，不利于两股流体介质快速且高效混合，因此混合强度较低。所以，对高效微混合器的研究就成为目前微流控领域的研究热点之一。被动式微混合器不同与主动式微混合器，它不需要外界能量的输入，而是通过设计复杂三维结构的微通道来控制混合过程。常见的被动式微混合器是通过优化结构设

5、计引起两股流体或多股流体间的混沌对流作用，从而增大流体间有效接触面积强化混合过程，使得微流体在给定的有限长度微通道内取得较高的混合强度。本文介绍了三种被动式微流体混合器，分别为基于混沌对流周期性扭曲式微混合器，高回流被动式微混合器，基于仿生网络结构式微混合器。其中对三种微流体微混合器都设计了多个具体混合器模型，讨论了微流体沿各自微通道的流动和混合情况以及不同雷诺数(Re)对混合强度的影响。数值模拟结果显示，以T型混合器作为比较对象，在所计算的雷诺数(Re)范围内，这三种混合器均能有效地提高混合强度。本文具体的研究成果如下：1．

6、在非对称扭曲式微混合器内布置两个周期上、下、左、右四段弯曲通道结构。微流体在主通道内依次形成收缩、扩展和翻转的效果，变截面收缩结构以及扩展和翻转结构加剧了进入下一段弯曲通道的不平衡碰撞，增大两股流体之间的接触面积，进而增强流体间的混合强度。FLUENT数值模拟结果表明2～微混合器的混合强度较其他结构的微混合器高，且每一段弯曲通道的长度对混合强度也有一定的影响，弯曲通道长度较短和过长都不利于两股流体的混合，当每一段弯曲通道L取153．33岬时两股流体间的接触面积最大，所以混合强度较其他几种微混合器模型的混合强度高。2．微混合器内

7、利用康达效应设置左右对称反馈通道引起回流，回流延长了流体的混浙江工业大学硕士学位论文合时间并促进形成涡流，增强了流体工质间的扩散与对流作用。通过优化反馈通道形状和混合腔入口尺寸，微混合器反馈通道的回流率和出口截面处混合强度都得到了提高。Fluent仿真结果还表明给定的微混合器的回流率和混合强度仅仅决定于雷诺数，均随雷诺数的增大而增大。当反馈通道倾斜角度为100时，循环微混合器的回流率和混合强度均达到满意数值。3．根据生物组织形态学原理，利用仿生学方法在树状分形结构中设计几种分离重组式网络状结构微混合器。FLUENT数值仿真结果

8、表明布置非对称圆形结构的微混合器的混合强度高于布置对称蝶形结构的微混合器的混合强度。在给定的微混合器有限长度内，仿生结构双级T形直通道内设置2个或4个体积较小的错位沟道或者2个相对沟道，微混合器内两股流体的混合强度大致相等；当2个错位沟道的长宽分别增大2倍时，微混合器内两股流