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。     

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。     

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.     

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。     

基于分合式混合单元的微混合器设计与研究

为实现微尺度下流体的快速均匀混合,基于对流体的分割、合并实现流体间接触面积指数式增长的原理,提出了一种分合式(SAR)混合单元,通过仿真对其支路夹角进行了优化,并最终确定支路夹角θ=70°.利用成熟的标准SU-8光刻及PDMS制作工艺,制作了分合式与组合分合式两种微混合器.采用甘油-水按体积比5:95(0.000 97...     

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。     

ZigZag微通道内S-CO_2流动传热性能分析

以超临界二氧化碳(S-CO_2)为工质,对其在Zig Zag半圆形横截面微通道内湍流状态下流动传热性能进行数值计算,分析了Zig Zag角度θ、单位周期流道轴向长度P对传热与流动阻力的影响。结果表明,流体在Zig Zag微通道内流动,在流道拐弯处有旋涡产生,导致流通面积减少,流体主流速度急剧增大并冲刷换热壁面,使边界层减薄或破坏,并且该位置附近湍动能急剧增大,增强了流体的扰动与混合,促进了能量传递,强化了换热;随着Zig Zag角度θ增大,微通道内传热性能提高而流动阻力急剧增大;随着单位周期流道轴向长度P增大,传热性能与流动阻力均下降;在文中所述计算条件下,θ=15°,P=15 mm时Zig Zag微通道内S-CO_2耦合传热综合传热性能最优。     

交变电场电渗对微混合影响的数值分析

利用交变电场电渗,在微通道内诱发混沌流,以提高流体混合效率,并对其进行了数值模拟研究。基于有限元方法采用COMSOL软件对流体混合过程进行数值仿真,分析了交变电场强度、电场频率、电极对数和电极极性等参数对混合效率的影响。结果表明,交变电场电渗能够在微通道内产生混沌流,有效地提高微通道内流体的混合效率;提高交变电场强度、电场频率以及电极对数均可提高微通道内流体混合效率;当相邻两对电极极性相反时,混沌流更加显著,流体接触面积更大,因此可获得更好的混合效果。     

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。     

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。     

Laminar flow past a sphere rotating in the transverse direction

Laminar flow past a sphere rotating in the transverse direction is numerically investigated in order to understand the effect of the rotation on the characteristics of flow over the sphere. Numerical simulations are performed at Re = 100, 250 and 300, where the Reynolds number is based on the free-stream velocity and the sphere diameter. The rotational speeds considered are in the range of 0 ≤ ω* ≤ 1.2, where ω* is the maximum velocity on the sphere surface normalized by the free-stream velocity. Without rotation, the flow past a sphere experiences steady axisymmetry, steady planar-symmetry, and unsteady planar-symmetry, respectively, at Re = 100, 250 and 300. With rotation, however, the flow becomes planar-symmetric for all the cases investigated, and the symmetry plane of flow is orthogonal to the rotational direction. Also, the rotation affects the flow unsteadiness, and its effect depends on the rotational speed and the Reynolds number. The flow is steady irrespective of the rotational speed at Re = 100, whereas at Re = 250 and 300 it undergoes a sequence of transitions between steady and unsteady flows with increasing ω*. As a result, the characteristics of vortex shedding and vortical structures in the wake are significantly modified by the rotation at Re = 250 and 300. For example, at Re = 300, vortex shedding occurs at low values of ω*, but it is completely suppressed at ω* = 0.04 and 0.6. Interestingly, at ω* = 1 and 1.2, unsteady vortices are newly generated in the wake due to the shear layer instability. The critical rotational speed, at which the shear layer instability begins to occur, is shown to be higher at Re = 250 than at Re = 300. This paper was recommended for publication in revised form by Associate Editor Dongshin Shin Dongjoo Kim is an associate professor in the School of Mechanical Engineering at Kumoh National Institute of Technology. His research interests include computational fluid dynamics, bluff-body wakes, and control of turbulent flows. He has a PhD in mechanical engineering from Seoul National University. He is a member of the American Physical Society and the American Institute of Aeronautics and Astronautics.     

The effects of the compressibility of the subsonic flow on heat transfer characteristics in a microscale impinging slot jet

We experimentally investigated the effects of both the compressibility and nozzle width on the local heat transfer distribution of microscale unconfmed slot jets impinging on a uniformly heated flat plate. We made heat transfer measurements under the following experimental conditions; Reynolds numbers of Re = 4000~10000, Mach numbers of Ma = 0.13~0.68, nozzle-to-plate distances of H/B = 3~25, lateral distances of x/B = 0~25, and nozzle widths of B = 300~700 μm having a nozzle aspect ratio of y/B = 30. A thermal infrared imaging technique was used to measure the impingement plate temperature. The experimental results show that for all tested Re and H/B values at a nozzle width of B = 300 μm, the Nusselt number maximum occurred nearly at the stagnation point and then monotonically decreased along the downstream. However, at B = 500 and 700 μm, the maximum Nusselt number point shifted toward x/B ≈ 1.5~2.0. And the Nusselt number increased, as x/B increased, from the stagnation point to the shifted maximum point and monotonically decreased afterward. This shifted maximum point may be attributable to vortex rings promoting sudden flow acceleration and entrainment of surrounding air moving along the jet axis. For the same Reynolds number, the Nusselt number in the stagnation region increased as the nozzle width increased due to a momentum increase of the jet flow caused by the formation of vortices. And, the Nusselt numbers for the smallest nozzle width of B = 300 μm (or highest Mach number at a given Reynolds number) at all H/B and Reynolds numbers tested significantly deviated from those for B = 500 and 700 μm in the downstream region corresponding to x/B > 5, suggesting that the compressibility, when it is high, can affect the heat transfer in the downstream region.

     

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.     

含有推力保护PLC控制的恒流量辅助注射装置研发

在医疗过程中,配药和注射均需医生或护士手工操作,严重依赖操作者的技术水平和积极性。针对在烧伤整容等精准注射,技术要求极高的情况,开发了以西门子S7-200系列PLC为控制器,MCGS触摸屏作为人机界面,28直线步进电机作为执行器件,以压力传感器等的一种含有推力保护的、精度小于0.01 mL/s的恒流量精准注射装置。     

涡轮叶栅通道中的流动显示

在大尺寸低速叶栅传热风洞中对一种高压涡轮导向叶栅的流场进行了流动显示实验研究。分别采用线簇和小球浮动法对五个雷诺数下的叶栅端壁区三维流场、叶片表面和端壁表面的流动进行了显示。实验结果表明 :涡轮叶栅中有强烈的二次流动 ,并存在复杂的涡系 ;三维流动区约占叶栅通道的 40 % ;雷诺数的增大将增强端壁区的三维流动。流场显示图片说明 :叶片吸力面靠近端壁有角涡形成与发展 ,并存在一个三角形区域 ;流场显示的通道涡大小与流场测量结果吻合。本文的实验结果可用于分析端壁表面和叶片表面换热特性的形成机理