一种基于多重涡流新型微混合器的设计与实验

时间:2017-7-22 16:31:00 来源:本网 添加人:admin

  微混合器是一种可进行微量液体混合、流向控制的微机电系统,是微流控芯片的重要组成部分之一。由于系统的微型化,通道的长度和孔径减小到微米级,给液流的均匀混合增加了难度。对于微系统中的混合反应体系,当混合速度小于反应速度时,混合时间成为决定反应完成时间的关键因素,成为限制反应时间以至整个系统分析时间的瓶颈。

  目前,国内外对微流体混合器的分类按照有无外界能量输入分为主动式微混合器和被动式微混合器2种1.其中,主动式微混合器按照能量输入形式的不同可分为磁场驱动、电场驱动、超声波驱动等,其优点是混合速度快、效果好,缺点是需要外界能量输入、外形较大且发热显著,难以应用在一些对外界环境敏感的生化分析中。被动式微混合器通过设置特殊的几何形状来改变混合腔中流场的分布,是不同流体之间的接触面发生扭曲变形,在减小微扩散距离的同时增大了微扩散的面积,从而有效地提高了微尺度下混合效率。中报道的结构有“鱼骨”型、t型气Y型M、“之”字型5等。由于其无需外接能量输入,构造简单且易于与其他微流控元件集成,因而受到了科研人员的青睐。肖丽君等人研制出一种由多个不同半径的弯曲管道双螺旋结构的微混合器,其混合器利用弯曲管道内部产生的迪恩流进行混合,提高了混合效率,但整个芯片存在尺寸大,混合效率不高,完全混合需要较长的混合距离等缺点。ArunP等人7研制了一种基于内部产生混合涡流的扩张和收缩结构交替的C型微混合器,这种结构能在弯曲微通道截面内产生二次流和在水平面上的背阶回流,提高了液体的混合效率,但是要使混合充分,输入速度需较大,而速度较大会造成剪切力大,因而不适用于含有细胞的生物反应中,而且芯片也存在尺寸大,消耗材料多的缺点。

  本文设计一种基于迪恩流和扩张涡流进行混合的被动式微混合器,首先分析了该混合器结构产生迪恩流和扩张涡流的原理与特点,再通过软件模拟其对微管道中液体的混合作用,后利用微加工技术制作微混合器,并设计样品混合为该混合器结构产生垂直截面迪恩流和水平面扩张涡流的示意图。当A,B两种试液注入微通道后,由于试液A的压力,试液B紧贴着S2流动。流入收缩段时,试液B在S2面产生的压力下流向S1面,产生横向的压力梯度,然后受到S1面的限制转向前进方向,转向时的离心力产生了二次流,即2个在通道上下面相互对称、旋向相反的涡流也就是迪恩流。本结构中设置分别朝向S1,2方向的扩张段(如扩张段1、扩张段2)交替分布,则经过扩张段1后的截面1和经过扩张段2后的截面2产生的迪恩流的流向正好是相反的。在水平方向上,当流体由收缩段流向扩张段的时候,其横截面积突然间增大,流体受到通道壁分离作用会产生一个反向的压力梯度导致在扩张段的入口处形成一个涡流(扩张涡流)。液体内部产生的迪恩流,可以使流体层发生分割变形,增大流体的接触面积,而扩张涡流可以对微流道中液体层流流动进行扰动,2种涡流相互作用可以进一步加强液体内部不同组分之间的混合。

  流速的雷诺数;为平均流速;R为流道的曲率半径;巩为水利直径,即=2wh/(w+h);w和h分别为管道的宽和高。迪恩流强度随着迪恩数的增大而增强,当其他参数保持不变时,迪恩数与雷诺数呈正比,而水平方向上的扩张涡流强度也是随着雷诺数的增大而增强。由此可见,当提高流体的雷诺数时可以同时增强横截面迪恩流和扩张涡流的强度。

  2模型的模拟仿真与分析2.1数值模拟仿真模拟模型如所示,其相应尺寸如图所示。其中,a~f分别用于标记该处流道横截面以便模拟结果分析。应用COMSOLMultiphysics软件对该模型进行三维数值仿真,采用不可压缩的N-S方程作为控制方程,液体分别从2个入口流入微通道,其浓度分别设为5和0,设置流体密度系数为10-10m2/s.为了对比混合效果,本文设计了简单Y型混合结构,通过模拟仿真来对比2种混合结构的混合效果。

  2.2模拟结果与讨论是中截面b和c中的速度矢量图,从图中可知,随着雷诺数Re的增大,即流体输入速度的增大,二次流逐渐增强,且截面b和截面c内产生的迪恩流方向正好相反,与前文中所提到的相符。

  画没有产生明显的涡流现象。当Re =14时,在扩张段产生了十分明显的涡流现象,随着雷诺数Re的继续增大,涡流产生的部位发生了变化。

  不同雷诺数下产生的扩张涡流是本文设计的扩张收缩结构同传统的Y型混合器的混合效果的对比图,流体的输入速度设置为2pL/s(Re =14)。由图中可以看出:Y型混合器的混合效果较差,而本文中所设计的混合结构在经过3个扩张收缩段以后已经实现了均匀混合的效果,在出口处即可实现试液的完全混合。流速的增加,终f截面的混合效率先减小后增加,直到流速为7pL/s时,f截面的混合效率又减小。这是因为当流速为0.01pL/s时,由于流速很低,流体内部产生的多重涡流强度很弱,流体的混合主要依靠自身扩散作用来实现,其扩散充分,混合效果较好;当流速增加到0.8pL/s时,流体内部产生的多重涡流强度增大,但是还没有达到足够的强度,这时流速的增大反而减弱了扩散作用;当流体流速增加到2pL/s和5pL/s时,流体内部多重涡流强度显著增强,足以对液流内部产生比较强烈的扰动作用,混合效果明显增强;当流速为7pL/s时,流体内部产生的多重涡流的效果继续增强,但这时由于流速过快已经显著抑制流体内部扩散作用,扩散不充分,反而使终的混合效率降低。由此可见,混合要充分考虑扩散和对流两方面因素的综合影响。

  (b)本文所设计结构的混合效果仿真流速为2/s时“Y”型混合器和本文设计的混合器的混合效果仿真为中a~f截面内模拟仿真的混合效果,采用EncksonD等人8提出的混合效率计算公式量化仿真的混合效果,其混合效率表达式如下肖丽君,陈翔,李以贵,等。基于迪恩流的微混合器的研陈方璐(1987 -),男,山东滨州人,硕士研究生,主要研究领域为微流控芯片、生物MEMS等。

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