一种挡板结构被动式微混合器的设计与仿真北大核心

基于在微通道内设置障碍物可以提高混合效率的方法,以T型方波通道微混合器为基础,设计了一种新型的、具有挡板结构的被动式微混合器,并采用有限元方法建立了仿真模型,分析比较了T型直通道微混合器、T型方波通道微混合器和具有挡板结构的T型方波通道微混合器在不同雷诺数（Re）下器件内流体的流动特性和混合效率。研究结果表明,具有挡板结构的T型方波通道微混合器在挡板阻塞比为1/4时具备最优的综合性能,也即在较宽Re值范围（5～60）内可实现流体的快速、高效混合,混合效率高于95%。     

被动微混合器的研究进展(英文)

综述了被动微混合器的混合原理、结构、微制作技术以及在数值仿真计算等方面的研究进展。着重讨论了几种主要被动微混合原理,如多层流、混沌对流、分裂-重合、流体弯曲和压缩以及循环流动。重点分析了近年来低雷诺数下高混合效率的复合式微混合器。复合式微混合器利用其他简单的外界作用来提高其混合效率,诸如施加离心力、采用几何压缩和三个入口结构,或利用多入口结构,使其中的流体产生周期性的流动。指出随着对低雷诺数和高黏度要求的不断提高,SAR型复合式微混合器成为更为广泛的一个研究方向,其内部的分裂-重合结构单元能够使流体产生旋转,同时通过采用几何压缩结构,缩短扩散长度.从而大大提高了流体的混合效率,但同时也提高了对微制作技术的要求。     

一种非对称结构微流体混合器的设计与分析

微流体混合器可以用于不同流体之间的混合与反应,其与化学传感器结合构成的化学分析测试系统,具有灵敏度高、响应时间短和稳定性好的特点。在微电子机械加工技术的基础上,设计了一种新型的、具有非对称分离重组结构的微流体混合器,并应用有限元方法建立了仿真模型,讨论了在不同雷诺数(Re=10~80)下,通道几何结构参数对微混合器内的流体流动特性和混合效率的影响。研究结果表明,微流体在该混合器内形成了扩展涡、分离涡和迪恩(Dean)涡,实现了涡系的叠加和强化,加大了流体间的扰动,增加了流体的接触面积,从而大大增强了混合效率。     

微气泡执行器强化微混合的实验研究

微尺度流动的雷诺数(Re)比较低,其混合主要通过扩散来完成,因此需要较长的距离与时间才能混合均匀。为实现微尺度低Re数流体的快速均匀混合,以甲醇及染色甲醇为工质,采用脉冲电压激励微铂膜产生可控气泡,并以气泡周期性胀缩产生的脉冲压力为动力源,研究脉冲压力横向扰动产生的混沌流对微通道内流动混合的影响。结果表明:脉冲压力横向作用使流体的交界面产生了强烈的卷曲拉伸,有效地强化了混合,该微混合器能够在毫米级混合长度及毫秒级混合时间内快速均匀混合,脉冲频率越高,混合效果越好。本研究结果为解决微尺度下低Re数流动混合难题提供了一种有效的崭新手段。     

基于PDMS的静态微流体混合器的制作与仿真

通过采用模塑法制成一种基于聚二甲基硅氧烷(PDMS)的静态微流体混合器.根据流体动力学理论对其进行了理论分析,并给出了两种流体混合的仿真分析结果.对以数值模拟为依据制作的微流体混合器进行了水与红墨水的混合实验,获得了相吻合的结果.     

二维变形方波微混合器混合效果

设计并制作了多种二维变形方波微混合器,通过荧光观测及标准偏差数值分析,在低Re数(Re≤13.33)时,考察拐角和单元长度对混合器混合效果的影响。结果表明,集成拐角的混合器存在一个临界Re值1.3,当Re<1.3时,混合基于分子扩散,拐角大小对混合效率无影响,混合效率保持在28%左右;当Re>1.3时,可以产生回流,混合效率随着拐角的减小逐渐提高。对于集成6个单元、拐角为45°、单元长度(s)为3132μm的微混合器,在雷诺系数Re=13.33时,混合效率为56%,约提高了1倍;但当拐角与混合单元长度增大时,混合效率明显降低。     

用于微流控芯片的PDMS微混合器工艺和数值分析

介绍了一种用软光刻技术制作微流芯片上PDMS微混合器的工艺。首先用SU-8胶制作微模具,然后用复制压模法制作出PDMS微通道,最后用紫外光表面改性实现PDMS材料和玻璃基片的键合。阐述了微混合的机理,用数值分析方法对三种形状微混合器进行了液体混合效率的分析,结果表明,弯形管道特别是Z形管道,由于惯性力在横截面上产生的二次流动能有效增大液体间的微混合面积,因而大大提高了液体混合的效率。     

流道缩扩比对半波纹微通道流动和传热特性的影响

为探究流道缩扩比对半波纹微通道流动和传热特性的影响,设计了5种不同缩扩比的半波纹微通道模型,并对各通道内的层流流动(200＜Re＜1000,Re为雷诺数)和传热进行了数值模拟研究。结果表明,半波纹微通道的压降和努塞尔数随着流道缩扩比的减小而增大;与光滑微通道相比,半波纹微通道具有更优的传热性能但压降损失也更高;引入η作为综合性能指标,发现减小流道缩扩比是提高半波纹微通道综合换热能力的有效方式,且当Re＞490时,其综合换热能力均优于光滑微通道。     

一种新型压电驱动微流体混合器

设计了一种新型的压电驱动微流体混合器(micromixer)，采用计算流体力学(CFD)的方法对其性能进行了仿真研究。结果显示，该混合器可在很大程度上提高微量流体的混合效率，在雷诺数为16、悬臂梁振动频率为200Hz时，充分混合两微量流体仅需0．158，对应的最小混合长度仅为0．9mm，这基本可以满足目前大多数微流体系统应用的需要。     

基于狄恩流的微混合器的研究

所设计的微混合器是一种基于狄恩流的被动式混合器,该混合器的结构特点是由多个不同半径的弯曲管道双螺旋而成,中部通过"S"形管道将输入管道和输出管道相连。首先分析了狄恩流形成的机理及特点,再通过流体计算软件CFD-ACE+三维模拟并分析了不同流速对二次流强弱以及混合程度的影响,最后利用微细加工技术制作微混合器,罗丹明B溶液与去离子水用作待混合液体,利用Image J软件获取混合图像的灰度值来分析混合器的性能。     

主动式交变电场电渗微混合通道数值模拟

为了获得快速、充分的流体混合效果,提出了一种主动式增强微通道内流体混合的方法。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。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,分析了相邻电极极性相同和相反时的混合效率及电场强度、电场频率对混合效率的影响。结果表明,此方法能够有效提高微通道内流体的混合效率。选择适当的电场强度和电场频率对提高混合效率有显著的影响。当相邻电极极性相反时,可获得更好的混合效果。定量地评价了该微混合通道的混合效果,即微通道出口处混合效率在0.5 s后较稳定地保持在99%,与无交变电场的电渗相比,混合效率提高了约46%。     

凹槽型微通道传热与流动性能的数值分析

针对电子器件的散热问题,提出了四种具有对称和等距凹槽的微通道,并通过三维数值模拟,研究了不同雷诺数下凹槽形状及布局对微通道性能的影响。结果表明:在给定的雷诺数范围内,圆形凹槽的传热性能仅次于三角凹槽,而梯形和矩形凹槽的传热性能较差。三角凹槽压降最大,其次是圆形,而梯形和矩形凹槽压降差异较小;同种形状不同布局的凹槽,压降几乎一致,这表明通过改变凹槽布局来提高性能不会产生额外压降损失。综合换热和压降特性,微通道热性能系数先增后减,故三角凹槽在雷诺数为600时获得最优热性能,而在雷诺数为900时等距圆形凹槽的热性能超过三角凹槽。     

微混合器研究进展

微混合器作为微全分析系统重要的组成部分,是目前微机电系统(MEMS)领域内的研究热点。文章介绍了微混合器的设计要求与目标、加工方法与材料的选择、微混合的特点与混合机理。微混合器一般可分为主动混合器与被动混合器,基于此分类方法,文章综述了微混合器的国内外研究现状,并讨论了目前研究中存在的一些问题,展望了微混合器的研究前景。     

矩形微通道流动换热特性的数值分析

对矩形微通道的传热和流动特性进行了三维数值模拟,结果表明:在所讨论的矩形微通道的转捩雷诺数提前到1000～1100之间,当Re>2500时,微通道内达到旺盛湍流;当量直径的变化对层流区换热Nu数影响不大,对湍流区换热Nu数有较大影响;对层流区的阻力系数影响很小,对湍流区的阻力系数影响明显,可为设计和分析微通道的性能提供理论参考.     

基于MEMS技术的微流体混合器及相关技术

介绍了基于MEMS技术的微流体混合器及相关技术,给出了各种微流体混合器的结构、原理和特点,同时对微管道中流体混合的仿真、实验技术以及微管道中微量流体混合程度的评价方法等作了概述。     

一种低成本高效率气动式微流控混合器

液体混合是微流控芯片的重要功能之一,微流控液体混合方式可分为主动式和被动式两种。针对目前微流控混合器存在的被动式混合效率不高和主动式混合器制作工艺复杂等问题,研究设计了一种基于雕刻机加工的低成本、高效率气动式微流控混合器。该微流控芯片采用数控雕刻机快速加工微模具,经PDMS固化、翻模、打孔和键合等工艺,实现了微流控混合器的制作。同时研究设计了多气室脉冲气体驱动模式,有效实现了微量试剂和样品的快速混合。实验结果表明,所研究的主动式微流控混合器可以产生对流混沌作用,显著提高微尺度下的混合效率,为实现低成本的微流控芯片制作和高效试剂混合的MEMS生化检测系统提供了一种有效的技术途径。     

一种PDMS微混合器的制备及性能分析

介绍了一种用于微生化分析仪的PDMS(polydimethylsiloxane,聚二甲基硅氧烷)微混合器的模压制备,由于其兼有混合器与比色皿的功能,因此,对其透光及混合性能进行了分析。经实验证明,制品中经常出现的变形、气泡、条纹等缺陷均会使混合器的透射比变差,且缺陷越多光学性能越差。而所制作的PDMS混合器透光面的光学性能优秀,在340 nm的透射比达到90%,能够满足微生化分析仪的紫外、可见光检测要求。对膜厚为50μm的φ6 mm PDMS混合器进行定量检测发现,当驱动电压为3 V,驱动频率为80 Hz时,在5 s内能达到很好的混合效果。     

压电基片上集成微通道数字微流体微混合器研究

微流体在压电基片上输运往往偏离声表面波传播方向,尤其是当压电基片表面疏水层不很均匀时,给微流体诸如混合等操作带来不便。在1280旋转Y切割X传播方向的LiNbO3基片上研制了集成有聚二甲基硅氧烷为材料T型微通道的微混合器,压电基片上采用光刻工艺制作相互垂直叉指换能器及反射栅。待混合的两微流体采用微量进样器分别进样到声路径微通道中,依次在两叉指换能器上加RF电信号,它激发的声表面波驱动其声路径上微通道中的微流体沿微通道输运、合并,并快速混合。对2μl水-2μl蓝色染料微流体和2μl甘油-2μl蓝色染料微流体进行混合实验,结果表明,声表面波的作用可以提高微通道中微流体的混合速度,且混合程度更高。     

内凹形微通道热沉换热流动性能的数值分析

针对大功率LED阵列的热控问题,提出了一种内凹形("Ω"形)铜基微通道热沉,并采用数值模拟(CFD)方法分析对比了其与常见矩形微通道热沉的性能。此外,还对其在不同流速、进口水温、热流密度下的单相对流传热、流动性能进行了研究。结果表明,该内凹形微通道较常见的矩形微通道热沉,通过减少泵功损失获得了更高的综合性能;采用较高的流速和较小的进口水温能够提高其换热性能,增大热沉底面温度均匀性,从而提高LED的寿命和稳定性;雷诺数约为300时,层流向湍流转捩。     

大屏幕液晶电视微通道散热数值模拟

针对大屏幕液晶电视存在的散热问题,在综合考虑实际工况和MEMS技术基础上,设计了集成微通道的模拟液晶电视LED背光组件芯片.采用ANYSIS软件,对不采用微通道散热和采用40 μm微通道流速为0.000 1 m/s散热时的效果进行了数值模拟.在此基础上改变入口流速,模拟了不同入口流速对散热性能的影响.数值模拟结果证明,该方案设计具有高度的可靠性和可行性,可以在未来的电视设计技术中取得应用.