基于混沌混合的分合式微混合器研究

按照混沌混合理论构建了Smale、Helical和Baker三种微混合器,为研究其混合机理与混合效果,对不同雷诺数下的对流扩散和混合进行了数值模拟,并用实验结果进行了验证。结果发现：实验结果与数值模拟结果吻合得很好。在低雷诺数下,由于Baker微混合器中流体的分层作用强,明显增大了流体的接触面积,也加快了流体混合速度,其混合效果要明显优于另外两种混合器;然而,在较大的雷诺数下,Smale微混合器中流体混合效果则优于Baker微混合器,其原因是Smale微混合器的分层效果虽然不如Baker微混合器,但其对流作用明显强于Baker微混合器;Helical微混合器因没有分层作用,其混合主要依赖于对流,所以在低雷诺数下混合性能较差,而高雷诺数下混合性能有所提高。     

主辅通道型微混合器的设计与制作

为了实现微量液体的快速均匀混合,设计了一种PDMS双层结构的新型微混合器。研究了混合器的制作方法以及几何尺寸和Re数对混合的影响。依据Fick第一定律介绍了主辅通道型微混合器的设计原理;采用有限元方法对不同几何尺寸及Re数下混合器中液体的速度流场及浓度场进行了数值模拟;数值分析显示,随着主辅通道出口宽度比的减小,通道长度的增加和雷诺数的减小,混合器的混合率增加。最后,依据仿真结果制作了主辅通道深度比为0.71,出口宽度比为1,通道长度为9mm的微混合器并进行了去离子水和红墨水的混合实验。实验结果表明:当Re5时,设计的混合器能实现液体的快速混合,并且混合率随着Re的减小而增大,基本满足低Re数下微量液体快速均匀混合的要求。     

椭圆螺旋管道混合器混合效果模拟研究

应用CFD技术研究了椭圆螺旋流道内两相液体在充分发展条件下的混合效果。基于FLUENT软件,对混合性能进行了数值模拟研究,讨论了椭圆螺旋管道混合器的截面形状、曲率半径、螺距3种因素对该混合器混合效果的影响。模拟所得液相的流动状态与实验结果具有很好的一致性。提取相应截面液体的混合不均匀系数,分析结果表明:截面形状的变化会给螺旋管道混合器造成不同程度的狭小区域,对混合均匀性影响较大;增加螺距会对混合产生消极的影响;当曲径为某一特征值时,混合效果可达到最好状态;同时,通过仿真分析得出,液体流速的改变对混合器中液体的混合效果影响不大;通过对流场内部剪切速率、流线、质点速度场的分析,讨论了粒子无序运动是螺旋混合器内液体充分混合的关键因素。     

3D-不对称菱形被动式微混合器混合特性

提高微混合器雷诺数的适用范围和混合强度是微混合器设计的发展趋势。本文基于非对称分离重组混合原理设计、制作了一种3D-不对称菱形被动式微混合器,并借助数值分析方法和可视化实验对混合强度和混合状态的变化进行了研究。研究发现:在低Re(0.01~10)范围内,两组分间的混合以扩散混合为主,随着Re的增加,流速对混合强度的影响有一定下降;在较高Re(10~200)范围内,受流速增加的影响,流体间不平衡微流惯性碰撞逐渐成为影响混合的主要因素。此时,混合强度随流速的增加逐渐增强并趋于平稳。对Re在0.01~200内的微混合器展开研究,分析了宽缝比Ws/S、分合角θ、宽厚比H/S等结构尺寸对混合强度的影响。通过综合考虑流体混合强度和通道压降的变化情况,确定最佳通道结构尺寸为Ws/S=0.2、θ=45°、H/S=0.5,此时微混合器的混合强度可维持在78%以上。与传统平面对称分合式混合器相比,设计制作的3D-不对称菱形被动式微混合器混合强度有较大的提高,验证了本文设计结构的有效性。     

稠油掺稀混合器混合机理与结构设计

稠油掺稀降粘开采时,存在稠油与稀油混合不均匀的问题,而混合器是目前掺稀降粘工艺中提高混合效果的主要工具。首先分析了掺稀降粘机理和混合机理,因此,要提高掺稀混合效果,就需要在掺稀管柱中增加混合元件。针对目前存在的几种混合器,根据有无自由旋转的叶轮分为静态混合器和动态混合器,而静态混合器容易造成流道堵塞,混合效果受流体流速影响较大等问题,现有动态混合器存在旋转动力不足,搅拌效果不好等问题。新型混合器设计有旋转动力叶轮和搅拌叶轮,旋转动力叶轮在流体的冲击下旋转提供动力,搅拌叶轮在旋转动力叶轮的带动下主动旋转。通过仿真对比分析发现,从速度迹线和稀油体积分数分布曲线来看,新型混合器比自动旋转动态混合器有更强的混合效果。     

真空注型机动态混合器混合性能模拟研究

在真空状态下,为将混合时间尺度小、粘度较高的不同液体快速均匀混合,提出了一种带有挤压槽轮和搅拌叶轮的动态混合器,介绍了这种动态混合器的结构原理和混合机理。基于FLUENT中的动网格模型、Mixture多相流模型、RNGκ-ε湍流模型及PISO算法,对混合器预混合管道不同出口位置、叶片数量、叶轮转速等不同条件下的两相流混合效果进行了数值模拟,结果表明:预混合管道出口位置不同时,混合效果不同;当叶片数量为16时,混合效果最理想;模拟还表明,增加叶轮旋转速度对混合效果作用明显,但是达到一定转速后,混合效果趋于稳定。在此基础上,通过液体质点运动矢量图、速度流线图和湍动强度分布云图,分析了加速溶液混合均匀的是叶轮二次剪切和混合器中运动部件对流场的湍动作用,选用环氧树脂(E51)与对应的固化剂进行混合并浇注成型,并对制品的硬度进行了测试,实验结果表明该混合器混合性能可靠。     

一种高粘度两相流静态混合器混合均匀度的仿真分析

在常见类型混合器的基础上设计了一种新型的高粘度两相流静态混合器。基于Fluent软件分析了预混单元对整体混合效果的影响,并分析了混合单元数量和流体入口速度对混合均匀度的影响。分析结果表明带预混单元混合器的混合效果好于不带混合单元的,还表明当混合单元数量为3时能在不同的入口速度下获得理想的混合效果。在此基础上,根据质点的速度场和流场分布状态,分析并说明了杂乱的速度和流线分布是获得良好混合效果的根本原因。同时,通过仿真分析了粘度对混合效果的影响,结果表明该混合器的混合均匀度随着液体粘度的增大而提高,还表明该混合器对中、低粘度的液体也有良好的混合效果。     

特斯拉型混合器中障碍物布局的优化

微混合器作为一种可以实现快速、高效的混合设备在生物分析、化学反应和检测等领域中应用,特斯拉阀因其简单的结构和特殊的流动机理常应用于微混合器的结构设计中。为提高混合效率,在特斯拉型混合器中添加菱形障碍物,并基于流场分析对其布局进行了优化和实验验证。以混合率和压降比值最大为优化目标对菱形障碍物在特斯拉型微混合器布局进行优化,经过优化得最优菱形障碍物尺寸为46.35 μm,最优横向偏移量为18.78 μm,最优竖向偏移量为20 μm。基于优化结果,设计并制作了添加菱形障碍物的特斯拉型微混合器并对微混合器的混合效果进行实验验证。结果表明设计优化的菱形障碍物特斯拉型微混合器与未添加障碍物时的特斯拉型微混合器相比在相同条件下具有更高的混合效率。     

混合体锥度对油气混合器性能的影响

根据一种新的油气混合原理,在混合腔体中加入一个锥形体,设计了一种新型油气混合器,并利用FLUENT对三种不同混合体锥度的油气混合器内流场进行了仿真分析。仿真实验结果显示：锥体锥度对油气两相环状流的形成和周向分布均匀性有一定影响;选择合理的锥度有利于提高混合器性能。     

多重涡杆式管道混合器的开发与应用

针对常用管式静态混合器作用时间短、混合效果不佳的问题,开发了新型多重涡杆式管道混合器,取得了良好的混合效果。     

一种新型螺旋式微混合器及其流场的数值研究

设计了一种新型的螺旋式微混合器。为说明其混合效果，对不同组分流体在螺旋式微通道中的扩散和混合进行了数值模拟，结果发现：在小雷诺数下，由于流体分层而增加了流体接触面积，显著加快了流体混合速度，其混合效果不仅比直通道有明显提高，甚至比蛇形通道还好；随着雷诺数的增大，对流作用得到加强，分合式通道的混合效果与直通道相比提高更大，但与蛇形通道相差无几。     

A review on the analysis and experiment of fluid flow and mixing in micro-channels

The studies with respect to micro-channels and micro-mixers are expanding in many dimensions. Most significant area of micro-mixer study is the flow analysis in various micro-channel configurations. The flow phenomena in microchannel devices are quite different from that of the macro-scale devices. An attempt is made here to review the important recent literature available in the area of micro-channel flow analysis and mixing. The topics covered include the physics of flow in micro-channels and integrated simulation of the micro-channel flow. Also, the flow control models and electro-kinetically driven micro-channel flows are dealt in detail. A survey of important numerical methods, which are currently popular for micro-channel flow analysis, is carried out. Different options for mixing in microchannels are provided, in sufficient detail.     

利用压电微泵驱动和脉动混合可控合成金纳米粒子

为了合成粒径均一、单分散性好的金纳米粒子,提出一种压电驱动式脉动微混合可控合成金纳米粒子的方法。该方法采用两腔三阀结构的压电微泵作为驱动源,结合Y形微混合器,基于两压电微泵脉动交叉式输出性能来实现多种不同混合模式的可控混合。利用Fluent软件对Y形微混合器内不同流量及频率下的混合效果进行了优化分析,优选出了压电微泵的控制参数。在实验室内设计、制作了用于金纳米粒子可控合成的系统样机,并开展了相应的金纳米粒子可控合成试验。试验结果表明：电压为40 V,频率为300 Hz时,合成的金纳米粒子粒径较为均一,分散性较好,该结果验证了文中所提方法的可行性。此方法亦可应用于其他纳米粒子的可控合成。     

A new electromagnetic micromixer for the mixing of two electrolyte solutions

Journal of Mechanical Science and Technology - A novel magneto-hydrodynamic (MHD) micro-mixer is proposed in this current study, and performed is the numerical analysis of the mixing features of...     

Kenics型静态混合器在高雷诺数下的压力降研究

为了获得Kenics型静态混合器在高雷诺数下的压力降规律,在雷诺数Re=4100～4000000范围内,采用计算流体力学（CFD）方法,通过对5种不同长径比的Kenics静态混合器的内部流动进行数值模拟来获取数据。量纲分析表明了Kenics静态混合器的压力降特性可以通过3个无量纲参数：摩擦因数Cf、混合器单元长径比AR、雷诺数Re来描述。根据数值模拟结果作出了这3个参数的关系曲线,提出了一个新的无量纲压力降关系式。研究结果表明,在雷诺数大于200000时,Cf值趋于恒定,与Re值无关,同时通过和文献中的实验、计算数据进行比较,证实了压力降曲线和关系式的准确性。     

A numerical study on the flow and mixing in a microchannel using magnetic particles

We have numerically investigated the characteristics of the flow and mixing in a microchannel using magnetic particles. The main flow is driven by the pressure gradient along the channel, while the secondary flow for the mixing is induced by the drag forces of the particles. Here, the particles can move in the flow due to the strong attraction under the periodically-varying magnetic field generated by electromagnets. For the study, the fractional step method based on the finite volume method is used to obtain the velocity field of the fluid and the trajectories of the particles. This study aims at achieving good mixing by periodically changing the direction of magnetic actuation force in time to activate the interaction between the particles and the flow. The quality of mixing is estimated by considering the mixing index and Poincaré section. In this study, parameter studies on the switching frequency, the magnetic actuation force, the number of magnetic particles and so on are performed to understand their effects on the flow and mixing. Results show that the clustering of magnetic particles during the magnetic actuation plays an important part in good mixing. It is also found that the magnetic force magnitude and switching frequency are the two main parameters that make a combined influence on the mixing efficiency. Such a mixing technique using magnetic particles would be an alternative, effective application for the flow and mixing in a microchannel.     

多流道螺旋静态混合器混合性能的数值模拟研究

采用多相流混合模型对层流状态下两种物性接近的流体在多流道螺旋静态混合器内的混合性能进行研究。研究结果表明,流道数增多提高了流体混合速度,缩短了达到相同混合效果所需要的混合元件长度,但同时也增大了系统能量消耗。在混合元件长度要求较长的情况下,从能量消耗角度应优先选用两通道螺旋静态混合
器,而受到设备空间限制等原因混合元件长度需要较短时,应优先选用四通道螺旋静态混合器。     

基于FLUENT的SK型静态混合器的数值模拟

为提高混合器的优化设计水平和工程应用的速度,应用商业CFD软件—FLUENT,分析了聚酯在SK型静态混合器的混合流动。采用FLUENT中的Carreau模型描述了非牛顿流体聚酯的黏-温特性,得出了混合器的压力降及出口混合温度。     

板材FMS的混合调度方法及应用

提出静态调度和动态调度相结合的板材FMS混合调度方法。采用整数规划建立FMS静态调度模型;分析了板材FMS动态调度中的决策节点,以基于调度规则的系统仿真完成FMS动态调度。应用表明,该方法具有实用价值。