基于电渗流驱动的涡流诱导微混合器

时间:2017-7-25 16:27:00 来源:本网 添加人:admin

  在微流控芯片中,流体通常以层流状态流动,微流混合主要依赖分子扩散,混合过程缓慢。近年来,多种增强微流混合的方法先后被提出,其中基于电渗流的主动式混合方式因结构简单、操作方便、混合距离短、无须活动机械部件等优点而得到广泛应用。

  Lettieri等利用交流电压在混合腔内产生振荡的电渗流以加强混合。Muller等采用两对夹角为45°的交流电场,使流体产生混沌对流以增强混合。张志彰等研究了在有障碍物和局部改变壁面zeta电势作用下的流体形态及对微混合的改良。Lastochkin等通过局部改变流道壁面zeta电势以加强混合。Sasaki等在平行于混合通道方向上设置蜿蜒变化的电极,通过改变静电场使电渗流的方向和速度产生周期性变化以加速混合。宋红军等在流内道内表面布置棋盘形交替基金项目:国家高技术研究发展计划(863计划)项目(2008AA12A218)分布表面电势,诱导电渗流产生曲线形运动以增强混合。赵力平衡满足Navier-Stokes方程:亮等研究了二维闭口微通道内电渗流的流动形态和混合效率。这些研究成果对微混合器的优化和发展有重要意义,但也存在一些问题。例如,周期性流体驱动方式可能导致混合结果的周期波动,局部改变流道壁面zeta电势工序繁琐、工艺难度大,电极设置多,微混合器结构较复杂;中未研究对连续混合情况。

  本文设计的微混合器以电渗流为诱导混合动力,使流体在相对封闭的混合腔中形成涡流以加速混合。重点研究了两种壁面zeta电势设置下的涡流形态,提出了“单涡”和“双涡”

  诱导混合模式。数值模拟表明,该微混合器可以较好地克服流道长、结构复杂、可控性差、混合效率低等不足,并可实现高效、连续和稳定的混合。

  1基本原理1.1微混合器设计微混合器二维物理模型和几何尺度如所示90微混合器设计示敢图本微混合器模型可实现微流的连续混合,样品液和稀释液从混合腔中上部流入,从中下部流出。在混合腔内施加横向静电场,则会在zeta电势不为0的边壁面附近产生电渗流,从而借助流体黏性诱导混合腔内流体形成涡流。

  理论上,通过改变边的zeta电势,可以形成多种涡流形态,但考虑大化样品流和稀释流的接触面积和简化结构设计,仅考虑混合腔上下边电渗流同向和相反的情况。

  本文研究表明,在适当的控制电压下,通过壁面改性使混合腔上下边zeta电势相反,则可在混合腔内产生一个涡流,称为单涡诱导混合模;当混合腔上下边壁面zeta电势相同时,可在混合腔内产生上下两个基本对称的涡流,称为双涡诱导混合模。本文主要对这两种模式下的混合特性进行了数值模拟研究。

  1.2数学模型设样品液和稀释液不可压缩,物理性质相似,两者接触不发生化学反应,混合过程中涉及的主要数学模型如下。

  1.2.1电渗流忽略离子电泳对流体产生的体积力,流体流动的质量动边界条件是:沟道出入口压力位0,其他壁面边界依据Helmholtz-Smoluchowski规则直接设为流体速度:数,Sr为水的相对介电常数;Z.为zeta电势;VV为静电场电位梯度。

  1.2.2静电场假设载流粒子没有浓度梯度,则可以通过ohm定理描述电流的平衡关系:流密度,A/m2.边界条件是:沟道出入口设置为电位能常数。其他沟道壁面设为电绝缘模式。

  1.2.3扩散对流样品以流体为载体时,在不发生物化反应的情况下,主要包括输运和扩散运动方式,相应的传输扩散方程为边界条件是:沟道入口设为摩尔浓度常数,出口设置为对流通量,其他边界设置为无穿透边界。

  1.2.4混合效率为了定量分析混合程度,在混合器出口处定义混合效率理论上完全混合和完全未混合的浓度分布2数值模拟1.3中进行编程模拟。设置操作温度为20丈,混合流体物性与水相同。入口左侧10m为浓度为0.1mol/L的样品液,右侧10m为浓度为0的稀释液,扩散系数为3x10-9m2/s,两种流体均以0.001m/s速度流入(雷诺数为0.02)。设置混合腔左封闭端电势为10V,右壁接地,墙体的上下壁zeta电势为-100mV. 2.1无电渗流诱导混合当没有电渗流时,流体在横向受到的扰动很小,尽管混合腔内流体可在腔体中央自上而下流体的带动下形成涡旋在一定程度上可加强混合(如,箭头只代表流速方向,不代表流速大小),但混合腔中涡流不能有效延长两种流体的接触面积,因而混合效果不理想。

  2.2单涡模式当在混合腔上下边的zeta电势相反时,其相应电渗流方向相反((a)),对于混合腔右封闭端上侧,电渗流受阻造成正压,会使流体向低压区流动,对于右封闭端下侧,流体被电渗流驱离造成负压,这样就使得右封闭端壁面附近流体自上而下流动。同理,左封闭端壁面附近的流体将会自下而上流动,因而,在电渗流驱动下,混合腔内所有壁面附近的流体流向均相同。这样,腔内外围流体带动内部流体一起旋转,即形成个涡流/(inol'm 2.3双涡模式双涡模式与单涡模式的不同之处是在混合腔上下壁面zeta电势相同,混合腔上下边附近的电渗流向相同,如所示。对于混合腔右封闭端,流体受来自两侧挤压被迫向中部集中,造成中部压力增加;对于混合腔左封闭端情况相反,其中部压力减小。因此在压力驱动下,流体会从右封闭端中部流向左封闭端中部,形成上下两个转向相反的涡流。

  以上3种混合方式下混合器出口处的混合效率分别为66.14c、97.61c和98.43,说明在相同的混合尺度下,采用电渗流涡流诱导混合可显著提高混合效率。

  3混合特性分析根据微混合器数学模型,混合过程受到电场强度、入口流速、zeta电势、流体性质、混合腔尺寸等因素的影响。本部分主要研究两种涡流诱导混合模式下,改变电场强度和入口速率时微混合器的稳态和动态特性,为定量调控微混合过程提供。

  3.1稳态特性稳态特性是指在定的操作条件下,微混合器出口处混合效率达到的稳态值。

  3.1.1电压稳态特性将混合腔左封闭端的电压从1V开始,以1V为增幅依次增加到20V,右封闭端接地,流体以0.001m/s从入口进入混合腔。其他条件在本文数值模拟部分设定,相应的混合效率曲线如所示。

  由可以看出,①采用调节电压的方式可对混合效率进行调节,②在混合趋于充分的情况下,双涡模式的效果稍好一些,但随着调节电压的升高,两种模式的混合效果接近。

  3.1.2入口速率稳态特性设置混合腔左封闭端电势为10V,右封闭端接地,流体以1x10im/s为增幅从1x10im/s依次增加到20x10im/s,相应流速下两种混合模式的混合效率曲线如所示。

  由可以看出,在设定电压下,①随着混合器入口流速的增大,混合效率呈下降趋势;②低流速下,两种混合模式下的混合效果基本相同,均可完全混合,但混合器入口流速较大时(>6x104m/s),采用双涡模式可以得到稍好的混合效3.2动态特性动态特性指在一定的操作条件下,微混合器出口处混合效率从初始状态到稳态的过渡规律。

  3.2.1电压动态特性设置混合腔左封闭端电压分别为5、10、15、20V,右封闭端接地,待混合流体以0.001m/s从入口进入混合腔,其他条件在本文数值模拟部分设定。以本文3.1节中无电渗流的混合稳态为初始状态,得到两种混合模式下的动态特性曲线如所示。

  由可以看出,①随着电压升高,混合效率的波动频率加快,②在4种电压设置下,混合效率在0~0.6s内存在较大波动,随着时间增加,波动幅度减小,在1s内基本趋于稳定。

  3.2.2入口速率动态特性设置混合腔左封闭端电压为10V,右封闭端接地,混合流体分别以0.0001、0.0005、0.001、0.0015m/s从入口进入混合腔,其他条件在本文数值模拟部分设定。混合腔内初始浓度为0,采用两种混合模式得到在不同入口流速下的出口混合效率曲线如所示。

  由可以看出,①在低流速下(0.0001m/s),出口处混合效率响应慢。②混合接近稳态时,双涡模式的混合效率略高于单涡模式。

  4结论基于电渗流涡流诱导混合原理,可设计出结构简单,调控方便的微米级流体混合器,此种混合器可实现连续混合,并可获得较高的混合效率。

  通过改变混合腔上下壁面电渗流方向,可得到"单涡"和“双涡”两种涡流形态,数值模拟表明:在这两种涡流模式下的混合特性基本相似,但双涡模式不需对混合腔壁面改性,且稳态混合效率略高于于单涡模式,这说明双涡模式具有更好的可操作性和实用性。

  <茇<:-二=1葑亡-稳态特性分析表明:设定条件下,在未实现完全混合之前,混合效率与电压和速率存在非线性关系,随着电压升高,混合趋于充分;随着入口流体速率增大,混合效率逐渐降低。

  动态特性分析表明,设定条件下,从无电渗流混合稳状态到电渗流涡流诱导混合稳态的过渡时间约为1s;在控制电压不变及混合腔初始浓度为0的情况下,通过调节入口流体速率可调整过渡时间和混合效率。

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