交叉导流式微型混沌混合器的研究

论文题目: 交叉导流式微型混沌混合器的研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 机械电子工程

作者: 刘素芬

导师: 杨华勇,傅新

关键词: 微流控器件,微混合器,流场可视化,流场仿真,混沌对流,平均线拉伸,微管道

文献来源: 浙江大学

发表年度: 2005

论文摘要: 现代分析仪器的一个发展趋势就是设备的微型化、集成化与便携化。微流控芯片则主要以分析化学和分析生物化学为基础，以MEMS加工技术为依托，以微管道网络为结构特征，连接具有流体致动、控制以及检测等功能的元器件，是当前微全分析系统发展的重点。微混合器是一种重要的微流控器件，不但要实现不同试剂或试样分子级混合的功能，还应兼具结构简洁易加工，以及易于集成于微流控系统中，操作条件易于控制，设备体积小，内在安全性能好等特点。 本论文针对微尺度混合的特点，提出了一种以玻璃湿法刻蚀加工技术为基础，基于混沌对流混合机理的三维静态微混合器——SOR微混合器。通过在微管道内设置周期交替排列的导流块，轴向的压力梯度可产生横向的速度分量，诱发混沌对流。在流场数值仿真的基础上分析了SOR微混合器内速度场的分布规律。利用计算可视化和实验可视化技术相结合的研究方法，确定了最佳的结构参数，并分析了雷诺数对混合效果的影响。同时采用与相同横截面和长度的微直管道相比较的方法，来度量SOR微混合器的压力损失大小。以微混合器中三维速度场作为动力系统，采用拉格朗日跟踪法研究了SOR微混合器的混沌混合特征。研究结果表明：微管道内周期交替排列的导流块，完全可以诱发混沌现象来实现微尺度条件下的层流混合。SOR微混合器的结构简单，加工工艺与MEMS技术兼容，而且加工材料不限制于玻璃，为微流控系统中被动混合提供了一种新的选择。 论文的主要内容如下： 第一章，综述了微流控系统的背景以及相关知识，重点阐述了微流控系统典型器件——微混合器的分类及微尺度混合方法、加工技术以及主要研究进展，在此基础上提出论文的主要内容。 第二章，简述了微尺度流动特征以及微流体混合的物理本质，并对流体混沌混合过程中相关的基本概念进行了阐述。结合本课题研究的特点，提出了研究微流体混沌混合的方法。 第三章，针对微尺度条件下，低雷诺数层流混合的特点，提出了一种以玻璃湿法刻蚀加工技术为基础，基于混沌对流混合机理的三维静态微混合器——SOR微混合器，论述了微混合器的结构设计原理。详细阐述了微混合器的几何结构特点以及加工过程。 第四章，利用流场数值仿真技术直接对SOR微混合器进行数值模拟，求解两种物质混合时的对流—扩散模型。通过对微混合器内的流场进行数值模拟，可以得到微混合器内流场的速度矢量分布、任意空间位置上某种流体介质所占的质量百分比、压力分布等，分析了不同流动条件对混合效果的影响，得到了最佳的几何结构参数。 第五章，利用实验可视化技术对SOR微混合器的混合性能进行了综合分析，比

论文目录:

摘要

Abstract

第—章 绪论

1.1 MEMS相关技术介绍

1.1.1 MEMS的发展

1.1.2 MEMS系统的特征

1.2 微流体系统及微全分析系统简介

1.3 微流体混合技术进展

1.3.1 概述

1.3.2 微混合器分类及微尺度混合方法

1.3.3 微混合器的材料及加工技术

1.3.4 混合效果的检测及评价方法

1.4 流体的混沌混合简介

1.5 论文的主要研究内容

第二章 微流体混合理论基础

2.1 微流体混合理论基础

2.1.1 微流体混合概述

2.1.2 微尺度流动特征

2.1.3 微流体混合的工作条件

2.2 混沌混合理论

2.2.1 流体运动的描述

2.2.2 混沌对流的定义

2.2.3 流场及流体的运动特征

2.3 研究混沌混合的常用方法

2.3.1 流体粒子的被动对流

2.3.2 线拉伸

2.4 本章小节

第三章 SOR微混合器的设计与加工

3.1 设计思路

3.2 微混合器几何模型

3.3 基于玻璃湿法刻蚀的SOR微混合器加工工艺

3.3.1 掩模制备

3.3.2 玻璃湿法刻蚀工艺流程

3.3.3 键合

3.4 本章小结

第四章 SOR微混合器数值仿真研究

4.1 微通道内基本方程

4.2 仿真模型及边界条件

4.3 速度场

4.3.1 SOR-Ⅰ微混合器

4.3.2 SOR-Ⅱ微混合器

4.4 混合仿真结果的可视化表示

4.4.1 雷诺数对混合效果的影响

4.4.2 θ角对混合效果的影响

4.4.3 δ值对混合效果的影响

4.5 SOR微混合器的压力损失

4.6 本章小结

第五章 SOR微混合器的实验研究

5.1 实验装置与实验方法

5.1.1 实验装置

5.1.2 实验方法

5.2 实验结果

5.2.1 SOR-Ⅰ微混合器实验结果

5.2.2 SOR-Ⅱ微混合器实验结果

5.3 实验结果与数值模拟结果的比较

5.4 SOR微混合器的压力损失测量

5.5 本章小结

第六章 SOR微混合器混沌混合的数值研究

6.1 CFD模型

6.2 流体粒子的轨迹方程

6.3 流体物质线和微小圆面的变形

6.3.1 截面中心线的映射

6.3.2 微小圆面的脉线映射

6.3.3 SOR-Ⅰ与SOR-Ⅱ微混合器混沌混合特性的比较

6.4 线拉伸的计算

6.5 本章小结

第七章 总结与展望

7.1 研究总结

7.2 展望

参考文献

攻读博士期间取得的学术成果

致谢

发布时间: 2006-11-22

参考文献

• [1].微流控单细胞电阻检测系统的开发与实验研究[D]. 唐文来.东南大学2017
• [2].微流控光学信息器件及其应用研究[D]. 陈陶.南京邮电大学2015

相关论文

• [1].偏心螺旋环流混合器内的混沌混合[D]. 卢著敏.浙江大学2002
• [2].集成微泵式微流控芯片关键技术的研究[D]. 谢海波.浙江大学2004
• [3].微通道中流体扩散和混合机理及其微混合器的研究[D]. 王瑞金.浙江大学2005
• [4].液压电梯闭式回路节能型电液控制系统研究[D]. 林建杰.浙江大学2005
• [5].电液比例位置系统复合控制及相关研究[D]. 杨俭.浙江大学2005
• [6].盾构模拟试验平台电液控制系统关键技术研究[D]. 胡国良.浙江大学2006
• [7].液压自由活塞发动机运动特性及其数字阀研究[D]. 周盛.浙江大学2006
• [8].固定式高压单相流细水雾灭火系统研究[D]. 邓东.浙江大学2006
• [9].微尺度流动及强化混合技术的研究[D]. 张先锋.中国科学技术大学2007
• [10].微通道流场混合与分离特性的研究[D]. 李志华.浙江大学2008

标签：微流控器件论文;  微混合器论文;  流场可视化论文;  流场仿真论文;  混沌对流论文;  平均线拉伸论文;  微管道论文;