对流效应在微混合器上的实际应用与原理

摘 要：设计了一种在五边形混合腔内布置窄缝和障碍物的新型平面被动式微混合器,充分利用流体的射流特性及挡板成涡原理,强化流体扰动,打破流体流动的层流状态,可有效地促进流体混合。通过高速摄影和Micro-PIV 系统相结合, 观察了在不同雷诺数(Re)下微混合器的流动特性及混合机理。

1 引言

被动式微混合器主要通过优化设计微通道的结构改变流体的运动轨迹,打破流体的层流状态,完成混合,具有结构简单、加工便捷、运行稳定、易于集成等优势 ,在化学合成和检测分析领域应用广泛。在纳米粒子合成领域,利用两种化学溶液在微混合器中充分混合可以制备具有功能性的纳米颗粒结晶,与传统方法相比,具有灵活性和可控性高的优点。

被动式微混合器的主要设计思路是通过在微通道中嵌入障碍物,分 裂、拉伸、折叠和破坏流体的流动形态,强化对流,实现不同流体的高效混合。在低Re下,随Re增大,微混合器中的流体逐渐从无旋涡流动模式转变为有旋涡流动模式,混合强度呈现先减小后增大的趋势 。

化学合成和分析检测领域,被动式微混合器具有广阔的应用前景,其中在混合腔内布置矩形挡板的微混合器是研究较多且混合性能较好的被动式微混合器,在微通道中引入微喷嘴结构的射流效应可有效提高混合强度。本研究结合挡板成涡原理和微喷嘴的射流效应,设计了一种在五边形混合腔内布置障碍物和窄缝的新型平面被动式微混合器,综合考虑混合强度和压降的影响,研究了窄缝宽度、混合腔形状和障碍物的形状对混合性能的影响,并总结其变

化规律及不同Re下的混合机理。

2 结构模型

平面混沌式微混合器,如图1 所示。窄缝宽度 w 1 、混合腔形状、障碍物形状作为研究的3 个结构变量。

图1混沌式微混合器结构示意图

3 研究方法及可行性验证

利用如图2所示的高速摄影系统和Micro-PIV系统对微混合器内流体的混合效果与流动状态进行研究。微混合器芯片采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)材质制作而成。实验中流体由微注射泵注入微流控芯片中。利用高速摄影系统拍摄混合效果时，将用去离子水稀释10倍的黑色墨水溶液注入微混合器入口中，同时将去离子水等速注入到入口2和3中。通过Micro-PIV系统对微通道中流体流动状态拍摄时，3个入口均等速注入含有直径1微米示踪粒子的去离子水，通过示踪粒子被激发产生的荧光信号最终处理得到流体的流场。

图 2 实验设备示意图

4 结果与讨论

（1）窄缝宽度对混合性能的影响

取 w1/w1/15、2/15、1/5、4/15 和1/3(即w分别取为20、40、60、80和100 微米,w为300微米),到M和P的结果如图3所示。由图5A可知,随着w1/w减小,M显著增大,其中当w1/ w为1/15,Re在0.1和在5 ~80区间下,M均大于90%,混合效果远优于其它4种w1 / w。这是由于较小的w1/w会有效挤压通过窄缝单元的流体,不同流体分子间的扩散距离和时间变短,分子扩散更加充分。同时,随着w1/w减小,流体以更快的速度流出窄缝单元,使射流效应增强,且流体高速撞击到障碍物上更易于诱导混沌对流,涡流有助于打破层流状态,加速不同流体工质间的混合,进而M增加。

由图 3B 可知,随着w1/w减小,P增强,且随着Re增大,不同w1下的P均保持上升趋势。w1/w减小,内部旋涡区增多且范围增大, 导致压力损失增加,P增幅较大。当w1 /w为1/15 时,微混合器内部远大于其它4种w1/w,在Re=80时,P达到最大,为248 kPa。综上所述,w1是影响微混合器混合性能的重要几何结构参数,在对压降要求不大的应用中, w1/w为1/15的微混合器可以实现溶液充分混合。

图 3 不同雷诺数(Re)下 w1/w对混合性能的影响:(A)混合强度; (B)压降

（2） 混合腔形状对混合性能和流动特性的影响

固定w1为40微米，带障碍物的混合腔形状如图4所示，分别为设计的五边形结构和四边形结构。微混合器的M和P随Re变化情况如图5所示。

图4 不同形状的混合腔:(A)五边形混合腔微混合器; (B)四边形混合腔微混合器

由图5A可见,两种混合腔形状在Re为0.1 ~80 时对 M 的影响趋势一致。Re在 0. 1 ~1. 0之间,M 随Re的增加而下降。Re在1 ~80 之间,M 随 Re 的增加而上升。其中,Re在0.1 ~1. 0之间时,溶液混合主要依靠分子扩散,当混合腔形状从四边形改变成五边形时,混合腔中障碍物前端的空间明显减小,流体分子间的扩散距离和时间均变短,分子扩散更加充分,进而 M 增加。

  Re在5 ~80 之间时,溶液混合主要依靠对流扩散,其中当Re为10和40时,两种微混合器混合溶液质量分数和流线分布变化如图6 所示,旋涡处的溶液混合更加充分,旋涡的产生促进了溶液间的混合。当Re=10时,四边形混合腔微混合器 M 高于五边形混合腔微混合器,主要由于五边形混合腔微混合器在障碍物前形成的旋涡较小,对溶液混合的促进作用明显弱于四边形混合腔微混合器。当 Re=40时,五边形混合腔微混合器在障碍物前形成的旋涡明显变大,同时渐扩的混合腔结构使得障碍物前端的空间减小,流体间扩散距离缩短,对流扩散效应明显增强,从而导致五边形混合腔微混合器的 M 高于四边形混合腔微混合器。

图 5 不同 Re 下混合腔形状对混合性能的影响: (A)混合强度; (B)压降

图 6 微混合器平面内混合溶液质量分数和流线图: (A)Re=10,五边形混合腔微混合器; (B)Re=40,五边形混合腔微混合器; (C)Re=10,四边形混合腔微混合器; (D)Re=40,四边形混合腔微混合器

由图 5B 可见,两种混合腔形状在Re为0.1 ~80时对P的影响趋势一致,都是随着Re的增加而增强。五边形混合腔的P低于四边形混合腔,这是因为当混合腔形状由四边形改变成五边形时,流体从窄缝流入混合腔的形式从突扩转变成了渐扩,局部损失大大减小,导致P减小。综合考虑混合腔结构对M和P的影响,当 Re 5 和 Re20时,经过优化后的五边形混合腔微混合器与四边形混合腔微混合器相比,由于引入了渐扩结构, 可在压降减小的同时实现混合强度提升,混合性能也显著提升。

（3） 障碍物形状对混合性能和流动特性的影响

在强化流体对流的基础上,以矩形挡板为原型,设计凹槽和工字形挡板 3 种障碍物的形状如图7所示。w1 =40微米,障碍物分别为矩形挡板、凹槽挡板和工字形挡板时,得到的M和P如图8所示。由图8A可见,3种障碍物在Re为0.1 ~80时对M的影响趋势一致。Re在0.1 ~1 之间,M随 Re的增加而下降。Re在1 ~80中间,M 随Re的增加而上升。其中,Re 在0.1 ~1 区间内,3 种障碍物对应的微混合器的M基本一致,此时混合主要依靠分子扩散,障碍物形状对分子扩散的影响并不大。Re在5 ~20 之间,凹槽挡板的M高于另外两种障碍物。Re=20 时,凹槽挡板的M分别比工字形挡板和矩形挡板的M高1.4%和13.6%。Re在40 ~60之间,工字形挡板 M高于另外两种障碍物。Re=40时,工字形挡板的M分别比凹槽挡板和矩形挡板的M高0.6%和8.8%。Re=80时,3种障碍物对应的微混合器M又趋于一致。

由图8B可知,3种障碍物在Re在0.1 ~80之间,对P的影响趋势一致,都是随着Re的增加而增强。其中,凹槽挡板引起的P略高于另外两种障碍物形状,这是因为凹槽挡板改变了障碍物附近流体的流动方向,使流体之间的碰撞加剧,内部能量损失严重, 导致沿程阻力增大。Re=80时,凹槽挡板的压降P=72kPa,比矩形挡板高7kPa。

图 7 3 种不同形状的障碍物: (A)矩形挡板; (B)凹槽形挡板; (C)工字形挡板

图8 微混合器混合溶液质量分数和流线分布图: (A)Re=0.1,矩形挡板; (B)Re=20,矩形挡板; (C)Re=0.1,凹槽形挡板; (D)Re=20,凹槽形挡板; (E)Re = 0.1,工字形挡板;(F)Re=20,工字形挡板

Re 为0.1和20时,3种不同障碍物微混合器混合溶液质量分数和流线分布变化,如图 8所示。Re=0.1时,三者的M基本一致,内部流体的流动状态都是层流,流动速度小,流体在通道中的停留时间相对延长,不同流体分子间扩散充分,混合效果较好。Re=20时,凹槽挡板的混合效果最优,工字形挡板次之,矩形挡板最差。此时微混合器内均出现旋涡,旋涡的出现有利于不同流体在展向方位上相互碰撞、渗透。由于凹槽挡板在流体来流方向上的下陷距离最长,导致涡流的影响范围最大,相比另外两种障碍物,对流增强,混合性能提高。

5 结论

窄缝宽度、混合腔形状以及障碍物形状等微通道几何构型参数影响微混合器的混合性能。 优化后的平面混沌式微混合器,利用射流特性加剧流体间的碰撞,同时利用挡板成涡原理在障碍物两侧形成多个旋涡区,从而强化流体扰动,增大流体间的接触面积,促进对流效应,改善混合效果,在分析检测领域有助于样本与试剂的充分混合。

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