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。     

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。     

基于拉格朗日跟踪法的微混合器内混沌混合特性

为了分析三维交叉导流式(Staggered oriented ridges,SOR)微混合器内混沌混合特性,在计算流体力学的基础上,采用拉格朗日跟踪技术数值模拟SOR混合器中流道截面上流体物质线和物质面的变形、拉伸情况,并通过平均对数线拉伸计算定量地评价SOR混合器的混合效果。研究结果表明：SOR微混合流道内可诱发混沌对流,并在其作用下可增加流体粒子的接触面积,提高混合效率。在小雷诺数时,线拉伸随雷诺数增大变化不大,但在雷诺数较大时,线拉伸随雷诺数增大而增大。     

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。     

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。     

细胞三维动态培养微器件的设计与制作

细胞培养是进行细胞研究的基础,为了在细胞体外培养时提供一种近似于体内的微环境,设计了一种可供细胞三维动态培养的微器件。首先设计了用于输运流体的微通道网络,培养池对称布置于微通道网络中,通过一系列"多进多出"型微通道分别与进样口和出样口相连。利用Comsol软件中的层流物理场和多孔介质物理场耦合对培养池内的流场进行仿真,通过比较流场的均一性和稳定性优化微通道网络结构。然后,采用静电直写技术在培养池内集成聚己内酯(PCL)三维支架,构建细胞三维培养空间。最后,封合微器件,检测微器件培养池内的流体流动情况,并进行细胞实验。实验结果表明,"2×2"型微器件培养池内的流体稳定性和均一性较好;PCL三维支架的纤维间距400μm,纤维直径80μm,孔隙率64%,细胞存活率达到90%以上。该细胞三维动态培养微器件更好地模拟了生物体内细胞生存所需的微环境,培养池内的细胞生长良好,满足设计要求。     

几何尺寸对矩形微通道液体流动和传热性能的影响

基于连续介质方法数值研究液体在不同几何结构微通道中的流动和传热性能。在相同热边界条件下,通过比较水力直径、通道长度和宽高比等几何参数对液体微流动的影响,得到各参数对泊肃叶数(Po)和努塞尔数(Nu)的影响关系。研究发现,截面宽高比越大,Po数越小,且雷诺数对泊肃叶数基本无影响;雷诺数(Re)小于500情况下,水力直径小于0.545 mm时,Po数随水力直径减小而减小,水力直径大于0.545 mm时,水力直径变化对Po数基本无影响;Po数不随通道长度变化而变化,但略受流动雷诺数影响;在Re=20～1 800时,Nu数正比于水力直径和宽高比,但是通道长度对Nu数的作用受流动Re数的影响;在通道材料和流动介质相同的条件下,Nu数和Re数之间的关系受通道几何参数的影响,并且拟合得到其关系式。     

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。     

影响微流体混合的因素及微混合器

由于微流控系统在生物工程、微电子机械系统等领域中有着广泛的应用前景,微通道中流体的流动、传质、传热等已成为微电子机械系统研究的前沿热点.本文分析了小Reynolds数下影响流体混合的因素,综述了目前各类主动式微混合器和被动式微混合器,为微流控系统的设计乃至于微机电系统的设计提供了基础.     

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。     

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。     

用于生物化学样品分离检测的基于阵列电极的芯片系统

提出一种集成了检测电极的基于线性阵列电极的微流体芯片,及以此芯片为基础所构建的控制检测系统.系统采用电化学检测手段,用基于单片机的测量模块实现阻抗检测功能,试图以此代替专用的阻抗分析仪,从而真正实现微流体分离检测的微型化.     

S型微通道散热模块传热性能研究

针对变频器发热的问题,提出一种S型微通道散热模块,并对其传热性能进行了理论分析,推导得出热阻与结构参数的数学关系式。利用Fluent软件,对S型微通道散热模块的结构参数进行优化,分析其对散热性能的影响,并进行了实验验证。研究结果表明,S型微通道散热模块可有效提升变频器的散热性能,较优的结构参数为:流道水力直径为1.4 mm、流道宽高比为3∶1、弯曲曲率半径为30 mm。将S型微通道散热模块与铜圆管铸铝散热模块进行了仿真及实验比较,结果表明前者基体平均温度比后者要低2.3℃,热阻降低了20.38%,说明S型微通道散热模块具有较好的散热性能。     

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...     

基于ARM的装备保障终端设备串口协议转换

以野外条件下装备保障过程中使用的某型终端设备为对象,选用基于ARM内核的STM32F103嵌入式芯片作为核心处理器,利用该芯片内部集成的DMA模块、USART端口模块、SPI端口模块来实现同步、异步串口协议间的转换。转换功能无需复杂的电路设计,仅用处理芯片本身最小系统电路再配以相应软件程序即可实现。在使用过程中,证实了本设计完全能够满足通信数据的协议匹配,符合功能要求。     

TWEO微流体驱动理论模型与实验研究

为研究行波电渗(TWEO)微流体驱动,在封闭微通道内TWEO微流体驱动进行了仿真和实验分析。根据双电层电荷分布规律,建立了行波电渗微流体驱动理论模型;通过对行波电渗电场和流场问题的求解,获得了封闭通道内流场仿真结果,并与实验结果相比较,验证了相关理论的正确性;对微通道内2/3高度处微流体流速进行仿真与实验结果分析,结果显示电渗流流速与频率的关系满足正态分布,为进一步展开对行波电渗微流体驱动及其在芯片实验室中的应用奠定了基础。     

基于电泳分离的生物芯片的设计与改进

在一种低压驱动电泳分离的阵列电极模块基础上，设计制作了一款电泳分离用的基于1VIEMS技术的微流体沟道芯片，与电极模块及控制检测系统共同组成微全生物芯片系统。通过控制系统进行了一系列电泳实验，根据实验结果确定了沟道芯片的最佳尺寸参数。对阵列电极模块进行了改进，在上面增加了一对检测电极，通过比较几种检测方法选择对电泳分离实验进行阻抗检测，以实现检测系统的微型化。通过基于单片机的检测系统对电泳实验分离结果进行一系列的阻抗检测实验，实验结果证明检测电极的设计是可行的。     

带凹穴渐缩型微通道传热与流动性能分析

针对电子器件的散热问题，设计了6种渐缩型微通道，并通过合理布置圆形凹穴来削减截面几何尺寸突变导致的压力损失。旨在借助凹穴结构促进微通道冷却液混合提升换热性能，以及通过优化通道几何尺寸来改善微通道的流体流速分布，从而进一步提升微通道换热性能。在高热流密度条件下，对6种带凹穴渐缩微通道和普通矩形微通道的流动换热特性进行了对比数值分析，并以泵功和热阻为评价指标来评价通道综合传热性能。结果表明：通过设置渐缩微通道凹槽及通道截面的合理分布，改善了流速的分布，使温度分布更加均匀，并且增强了其散热能力。在实验组的最优结构下，渐缩微通道热阻比普通矩形微通道降低了18.4%，综合传热性能最高提升了15.2%。     

三维交叉导流式微型静态混合器的研究

从微尺度流动的特征出发,设计了一种新型静态微型混合器,通过在微通道内设置导流块的方式诱发横向的速度分量,减少混合长度,从而增强分子扩散作用,达到分子级混合;运用流场仿真技术分析了微型混合器内流场的运动规律,阐述了发生混合的机理;罗丹明染料的混合试验可以直观地检测微型混合器的混合效果,同时采用计算图像灰度值标准差的方法定量分析了微型混合器的性能与结构参数、流量的关系。     

3D打印多级互联结构的浓度梯度微流控芯片

传统微加工技术仅能制作二维的平面结构或者简单的三维结构,限制了其在高通量药物组合筛选的应用.采用光固化—喷印3D打印制造了具有多级互联的微通道网络分配器—4进口、36出口浓度梯度生成器.对芯片流道结构及布局进行了设计与计算,获得芯片的浓度分布;仿真分析微流道流体的混合效果,对不同芯片结构的浓度分布进行了实验表征,展示了该芯片具有高通量药物筛选的能力.多级互联的浓度梯度微流控芯片能够产生高通量浓度组合及多种分析物混合分配,在药物筛选、化学合成、趋向性研究、细胞凋亡等生物医学工程领域具有广阔的应用前景.