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。     

基于拓扑优化的电渗流微混合器电极

电渗是当前芯片实验室设备中微流体常用的驱动方式之一，其中电极版图对控制电渗驱动的外电场起到关键作用。针对电渗流电极版图大多基于尺寸优化和形状优化的方法难以大幅提升微流控器件性能的问题，建立电渗流电极拓扑优化模型，采用滤波方程和阈值投影控制电极结构的特征尺寸，通过连续伴随分析方法获得模型的伴随敏度，进而演化电极版图的结构设计变量，最终实现电渗流电极的拓扑优化。基于上述拓扑优化方法设计电渗流微混合器的电极版图，并对影响微混合器混合效果的因素进行分析。结果表明，电渗流微混合器的混合评价指数达到0.047，能够实现两种不同浓度溶液的完全混合。微混合器良好的混合性能验证了本文提出电渗流电极拓扑优化方法的有效性。     

低雷诺数高效类魔方结构微混合器

为了在雷诺数条件不定的小尺寸的芯片内部集成高效的混合功能,根据菲克定律和布朗运动的爱因斯坦关系式提出了一种通过匹配接触面提高浓度差的策略来设计微混合器,对科恩达效应进行了扩展,分析了流体在通道表面的流动方向,从特定微通道模块中抽象出4种具体功能。通过模块的功能来预测和调控浓度梯度并构建微混合器。使用4种功能模块来旋转并匹配流体界面,设计了两种三维结构的被动式微混合器。采用三维Navier-Stokes方程组进行了数值分析,并通过软光刻工艺制作微混合器进行了实验验证。实验和仿真结果表明,在雷诺数为0.1～100内,设计的微混合器在3.3 mm,即22倍水力直径长度处能稳定提供94%～99%的混合效率,在等水力直径条件下具有明显的优势,而且结构易于在芯片上集成,证明了模块化设计的优越性。     

一种轮腿式越障机构的优化设计

通过研究一种针对阶梯型障碍物的越障模型,设计了一种基于该越障模型的尺寸最优设计算法。通过试值法,实现了按照设计者的要求,自动计算出最优的机械脚尺寸,使得机构的越障效率达到最高。通过实验验证了算法的可行性,使用Matlab编写了用户图形界面,在用户设置障碍物的几何参数和电机性能参数后就可以输出最优的机械脚尺寸及越障时间。有效地提高了此类越障模型的设计效率,为模型的参数设计提供了一种优化方法。     

内置周期挡板的T-型微混合器

设计了一种流道内布置周期挡板结构的高效T-型微混合器来提高微流控系统的混合效率。该微混合器结构简单,周期布置的挡板可以有效地缩短流体混合所需的流道长度和时间,混合效率高。安排了正交实验组,利用计算流体力学软件ANSYS CFX研究了流道结构参数对混合效果的影响。采用静态田口分析法对数值模拟结果进行分析。结果表明:流道结构参数对混合效果的相对影响程度排列如下:挡板攻角(θ)流道高度(H)挡板宽度(L)相邻混合单元之间距离(D)。根据结构参数对混合效果的影响程度,得出研究参数范围内的最优组合为:θ=75°,H=0.4 Wm,L=0.7 Wm,D=0.6 Wm(这里Wm为流道宽度,等于200μm)。实验显示,结构参数符合最优参数组合的微混合器的混合效果提升显著,雷诺数Re=54时即可实现完全混合(混合指标M95%)。文中研究了流道结构对进出口压降的影响,结果显示,攻角θ对进出口压降的影响趋势在不同雷诺数下相同,参数H,D亦如此。     

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。     

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。     

RGB色彩模型在气动微混合芯片中的应用

研究提出一种基于气动薄膜的微混合器及基于数字图像的混合效率量化分析方法。给出了利用RGB(Red,Green,Blue)色彩模型、灰度转换模型和方差数学模型对微混合腔内不同试剂的混合程度量化分析方法,并利用聚二甲基硅氧烷(PDMS)材料和软刻蚀方法对微混合芯片进行封装。采用实验研究方式使微混合腔内两种不同颜色试剂充分混合,利用混合程度量化分析方法对微混合腔内混合效率进行量化分析,并与自然对流混合效率进行对比。与传统计算混合效率的方法相比,基于RGB色彩模型的混合效率量化方法更简单、直观、有效和方便。     

基于SMT和LDOB-PRM算法的分支线缆自动布局设计方法

针对机电产品中的分支线缆自动布局设计与优化难题,提出一种基于最小斯坦纳生成树和改进的随机路径图算法的分支线缆自动布局设计方法。该方法采用最小斯坦纳生成树算法求解带有约束的斯坦纳点,并将该点确定为分支线缆的分支点;以基本随机路径图算法为基础,采用低离散度和基于障碍物的混合采样策略,构建一幅覆盖全空间障碍物表面的路径图,再利用A*算法搜索各线缆段的最短路径;对求解得到的路径点进行拟合,并最终获得分支线缆布局设计结果。设计并开发了分支线缆自动布局设计软件原型系统,并进行了算例测试与实例验证,证明了所提方法的可行性。     

Some aspects of fabrication of micro devices by electrochemical micromachining (ECMM) and its finishing by magnetorheological fluid

Electrochemical micromachining (ECMM) is an advanced machining process for machining of electrically conducting materials. In the present work, a micro nozzle and a fluidic mixer having complex structures are made using masking technique by ECMM process. Mask is made of 50-μm transparent sheet and the micro nozzle and micro mixer are fabricated on an 800-μm thick copper sheet. The resulting rough inner walls and bottom surface of micro nozzle are finished using magnetorheological fluid-based finishing process. Surface finish of the nozzle is significantly improved after finishing. A comparison of width, depth, and surface roughness of the micro nozzle is also carried out before and after finishing. The mixing behavior of two fluids is visualized by microscope in micro mixer. The rough inner walls of the mixer’s channels act as obstructions and result in zigzag path of flowing fluid. Hence, mixing occurs at microscopic level because of rapid molecular diffusion.     

微细电解加工用中空电极的制备

为了改进加工间隙内电解产物的排出条件和加速电解液的更新,提出了一种嵌套式微细中空电极的精确可控焊接制备工艺。仿真分析了电极的过流特性,优化了电极长度,并进行了性能测试及加工实验。通过穿丝、黏结、嵌套尺寸及位置调整和焊接工序,制备出加工段内径为65μm、外径为130μm、长3.25mm左右,后段便于装夹和连通的嵌套式中空电极。在供液压力为1.15 MPa时,其出口流速可达10m/s左右。利用制备的中空电极,开展微细孔电解加工实验,在0.5mm厚不锈钢片上加工出最小入口孔径约为157μm,出口孔径约为133μm的微细孔,并将其延伸应用于微结构加工中,铣削出了长554μm、宽160μm、深224μm的微细T型槽。实验结果表明:制备的微细中空电极有效提高了加工间隙内电解液的流动特性,且连/导通可靠、装夹方便,适用于高深宽比微结构的电解加工。     

变密度微织构球头铣刀切削性能多目标优化

为深入研究微织构排列形式对微织构理刀具的抗磨减摩机理的影响,分别从理论、仿真及试验等方面对最优的微织构排布形式进行研究。首先,建立微织构在刀具前刀面的数学模型及仿真模型。其次,通过试验验证仿真结果的准确性。仿真及试验研究均发现,变密度微织构球头铣刀的铣削性能优于均匀分布密度的微织构球头铣刀。最后,运用模糊评价法优选最优的铣削性能的微织构球头铣刀,优化结果表明,两排织构间距先为200 μm,再为150 μm,最后为175 μm的微织构球头铣刀的铣削性能最好。该项研究使刀具具有良好的抗磨减磨性,提高加工效率及被加工工件的表面质量。     

混沌流微混合器的性能优化

为提高低雷诺数层流条件下被动式微混合器的效率,依据"三维马蹄变换"数学模型,对流体进行"挤压拉伸""弯曲折叠""二次折叠"和"逆变换-交集"操作,得到了一款包含6个混合单元,总长度为15 mm的混沌流微混合器.仿真研究表明:在"低流速-扩散主导"阶段u=2×10-4 m/s时,t=300 s后混合器进入稳定混合状态,出...     

用于生化分析的混合/进样器一体化设计

针对现有生化分析仪中取样装置与搅拌装置因分开而造成全自动生化分析仪布局复杂,结构繁琐,不利于生化分析仪的集成化和小型化等问题,提出混合/进样器一体化设计方法,设计了一种具有混合功能的自动进样系统。本论文采用手动移液器及双级活塞的原理,实现了样品的精确提取、试剂与样品的均匀混合等功能集成。通过对该进样系统的进样重复性试验,得出系统误差补偿方法。最后测试结果表明,系统进样重复性<1.5%,满足生化分析需求。     

Concentration measurement of a mixture using an infrared transceiver

Microreaction technologies are employed in various applications like space propulsion, atomization, drug delivery and in lab-on-chip applications. Mixing index measurement in micro reactors is essential to assess the performance of the proposed micro mixer. A major roadblock in the design of a micromixer is its assessment and determination of mixing index during the operation due to the complex flow characteristics and mass transfer that occur during the mixing of fluids or reactants. Sensor design is thus vital in analyzing the performance of micro mixers during operation. Infrared sensing is a versatile flow visualization technique which has been effectively used previously to characterize two phase flows in conventional macro channels. The present work develops a robust multiphysics simulation framework and provides a comprehensive characterization of an infrared sensor to perform online assessment of micromixers during their operation. This study considers the case of an optimized passive micromixer described in several literatures and models the microfluidic mixing between silica nanoparticles and distilled water at various concentrations. Further coupling was done by applying the physics of ray optics to understand the performance of an infrared sensor. The variation in infrared sensor output with the mixing index is presented based on the multiphysics coupling. With this analysis, the characteristic output of an infrared sensor can be inferred for any practical microfluidic mixing and microreactor application, thus helping the instrumentation design for online performance assessment of micromixers.     

A study on magnetic abrasive deburring of dual micro pattern

Studies on dual micro pattern are not established because of difficulty of its fabrication and deburring technology. In this investigation, a dual micro pattern which consists of a net pattern and a lenticular pattern was fabricated on a cylindrical workpiece by turning process. Magnetic abrasive deburring (MAD) was proposed as a deburring process in this study. Burr height defined by difference of its height and theoretical pattern height was measured as about 1 μm. It is one of the non-traditional machining methods utilizing flexible tool which consists of ferrous particle and abrasive powder. Hence, the aim of this investigation is to remove generated burr on the dual micro pattern. Burr at the dual micro pattern was removed through MAD, and a prediction equation of machined pattern height was derived. A deburring condition was optimized and verified by experiments. As a result, it was confirmed that dual micro pattern which has high shape accuracy was fabricated using MAD.

     

数字化微喷射用玻璃基组合微喷嘴设计及实验

为提高液滴微喷射的喷效率和粉体微喷射的喷射方向性,选用普通硼硅酸盐毛细管和石英玻璃管为原材料,基于稳定的拉制和锻制工艺,设计并制作了直列式组合微喷嘴和同轴式组合微喷嘴.在基于微流体数字化的微喷射实验平台上,利用4×2直列式组合微喷嘴单次喷射得到了形状规则、圆整,大小均匀,无卫星液滴的液滴阵列,液滴平均直径为180 μm;相对于单微喷嘴,直列式组合喷嘴提高了单次微喷射的效率.另外,进行了粉体微喷射实验,相对于单微喷嘴,同轴式组合微喷嘴在相同驱动条件下,出射角由33°减小至10°,成形粉线的宽度由450 μm降低至300 μm.结果表明,同轴式组合微喷嘴中的辅助喷嘴有效地约束了主喷嘴出射的粉体流动,粉体喷射的方向性有显著提高.     

基于自适应天牛须算法的航空发动机管路布局优化

针对航空发动机外部管路系统设计过程中布局效率和空间利用率较低的问题,提出一种基于自适应天牛须搜索算法的管路自动布局方法。该方法在原算法的基础上加入自适应变步长机制,使其在具有高效性的同时能搜索到更优的解。在描述复杂空间障碍物时,采用将附件和管路分开建模的方式,一方面建立机匣附件的轴向包围盒,并在包围盒内部构建小范围的附件栅格信息矩阵;另一方面,对已布局管路分段处理后采用线段求交的方式做出干涉性判断,在此基础上根据某种度量选择本条管路的避障策略,以达到充分利用敷设空间的目的。建立管路布局问题的数学模型,并以管路长度和压力损失作为优化目标完成路径的规划过程。最后,通过仿真实例证明所提方法的可行性。     

恒定轮距的多连杆式独立悬挂系统设计

为解决全方位轮式移动机器人搭载传统悬挂装置越障行驶时,轮距变化和轮毂中心面侧倾导致机器人运动控制难度大等问题,设计了一款由平行四边形机构、偏置曲柄滑块机构和摆动摇杆机构组成的多连杆式悬挂装置。通过ADAMS软件进行了不同地形环境的动力学仿真分析与优化设计,确定了最佳连杆结构参数。实物样机试验表明,机器人越障行驶过程中的操控性能以及轮子着地性与运动精度得到提高。