摘 要：設(shè)計(jì)了一種在五邊形混合腔內(nèi)布置窄縫和障礙物的新型平面被動(dòng)式微混合器,充分利用流體的射流特性及擋板成渦原理,強(qiáng)化流體擾動(dòng),打破流體流動(dòng)的層流狀態(tài),可有效地促進(jìn)流體混合。通過高速攝影和Micro-PIV 系統(tǒng)相結(jié)合, 觀察了在不同雷諾數(shù)(Re)下微混合器的流動(dòng)特性及混合機(jī)理。

1 引言

被動(dòng)式微混合器主要通過優(yōu)化設(shè)計(jì)微通道的結(jié)構(gòu)改變流體的運(yùn)動(dòng)軌跡,打破流體的層流狀態(tài),完成混合,具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工便捷、運(yùn)行穩(wěn)定、易于集成等優(yōu)勢(shì) ,在化學(xué)合成和檢測(cè)分析領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。在納米粒子合成領(lǐng)域,利用兩種化學(xué)溶液在微混合器中充分混合可以制備具有功能性的納米顆粒結(jié)晶,與傳統(tǒng)方法相比,具有靈活性和可控性高的優(yōu)點(diǎn)。

被動(dòng)式微混合器的主要設(shè)計(jì)思路是通過在微通道中嵌入障礙物,分 裂、拉伸、折疊和破壞流體的流動(dòng)形態(tài),強(qiáng)化對(duì)流,實(shí)現(xiàn)不同流體的高效混合。在低Re下,隨Re增大,微混合器中的流體逐漸從無旋渦流動(dòng)模式轉(zhuǎn)變?yōu)橛行郎u流動(dòng)模式,混合強(qiáng)度呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì) 。

化學(xué)合成和分析檢測(cè)領(lǐng)域,被動(dòng)式微混合器具有廣闊的應(yīng)用前景,其中在混合腔內(nèi)布置矩形擋板的微混合器是研究較多且混合性能較好的被動(dòng)式微混合器,在微通道中引入微噴嘴結(jié)構(gòu)的射流效應(yīng)可有效提高混合強(qiáng)度。本研究結(jié)合擋板成渦原理和微噴嘴的射流效應(yīng),設(shè)計(jì)了一種在五邊形混合腔內(nèi)布置障礙物和窄縫的新型平面被動(dòng)式微混合器,綜合考慮混合強(qiáng)度和壓降的影響,研究了窄縫寬度、混合腔形狀和障礙物的形狀對(duì)混合性能的影響,并總結(jié)其變

化規(guī)律及不同Re下的混合機(jī)理。

2 結(jié)構(gòu)模型

平面混沌式微混合器,如圖1 所示。窄縫寬度 w 1 、混合腔形狀、障礙物形狀作為研究的3 個(gè)結(jié)構(gòu)變量。

圖1混沌式微混合器結(jié)構(gòu)示意圖

3 研究方法及可行性驗(yàn)證

利用如圖2所示的高速攝影系統(tǒng)和Micro-PIV系統(tǒng)對(duì)微混合器內(nèi)流體的混合效果與流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行研究。微混合器芯片采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)材質(zhì)制作而成。實(shí)驗(yàn)中流體由微注射泵注入微流控芯片中。利用高速攝影系統(tǒng)拍攝混合效果時(shí)，將用去離子水稀釋10倍的黑色墨水溶液注入微混合器入口中，同時(shí)將去離子水等速注入到入口2和3中。通過Micro-PIV系統(tǒng)對(duì)微通道中流體流動(dòng)狀態(tài)拍攝時(shí)，3個(gè)入口均等速注入含有直徑1微米示蹤粒子的去離子水，通過示蹤粒子被激發(fā)產(chǎn)生的熒光信號(hào)最終處理得到流體的流場(chǎng)。

圖 2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備示意圖

4 結(jié)果與討論

（1）窄縫寬度對(duì)混合性能的影響

取 w1/w1/15、2/15、1/5、4/15 和1/3(即w分別取為20、40、60、80和100 微米,w為300微米),到M和P的結(jié)果如圖3所示。由圖5A可知,隨著w1/w減小,M顯著增大,其中當(dāng)w1/ w為1/15,Re在0.1和在5 ~80區(qū)間下,M均大于90%,混合效果遠(yuǎn)優(yōu)于其它4種w1 / w。這是由于較小的w1/w會(huì)有效擠壓通過窄縫單元的流體,不同流體分子間的擴(kuò)散距離和時(shí)間變短,分子擴(kuò)散更加充分。同時(shí),隨著w1/w減小,流體以更快的速度流出窄縫單元,使射流效應(yīng)增強(qiáng),且流體高速撞擊到障礙物上更易于誘導(dǎo)混沌對(duì)流,渦流有助于打破層流狀態(tài),加速不同流體工質(zhì)間的混合,進(jìn)而M增加。

由圖 3B 可知,隨著w1/w減小,P增強(qiáng),且隨著Re增大,不同w1下的P均保持上升趨勢(shì)。w1/w減小,內(nèi)部旋渦區(qū)增多且范圍增大, 導(dǎo)致壓力損失增加,P增幅較大。當(dāng)w1 /w為1/15 時(shí),微混合器內(nèi)部遠(yuǎn)大于其它4種w1/w,在Re=80時(shí),P達(dá)到最大,為248 kPa。綜上所述,w1是影響微混合器混合性能的重要幾何結(jié)構(gòu)參數(shù),在對(duì)壓降要求不大的應(yīng)用中, w1/w為1/15的微混合器可以實(shí)現(xiàn)溶液充分混合。

圖 3 不同雷諾數(shù)(Re)下 w1/w對(duì)混合性能的影響:(A)混合強(qiáng)度; (B)壓降

（2） 混合腔形狀對(duì)混合性能和流動(dòng)特性的影響

固定w1為40微米，帶障礙物的混合腔形狀如圖4所示，分別為設(shè)計(jì)的五邊形結(jié)構(gòu)和四邊形結(jié)構(gòu)。微混合器的M和P隨Re變化情況如圖5所示。

圖4 不同形狀的混合腔:(A)五邊形混合腔微混合器; (B)四邊形混合腔微混合器

由圖5A可見,兩種混合腔形狀在Re為0.1 ~80 時(shí)對(duì) M 的影響趨勢(shì)一致。Re在 0. 1 ~1. 0之間,M 隨Re的增加而下降。Re在1 ~80 之間,M 隨 Re 的增加而上升。其中,Re在0.1 ~1. 0之間時(shí),溶液混合主要依靠分子擴(kuò)散,當(dāng)混合腔形狀從四邊形改變成五邊形時(shí),混合腔中障礙物前端的空間明顯減小,流體分子間的擴(kuò)散距離和時(shí)間均變短,分子擴(kuò)散更加充分,進(jìn)而 M 增加。

  Re在5 ~80 之間時(shí),溶液混合主要依靠對(duì)流擴(kuò)散,其中當(dāng)Re為10和40時(shí),兩種微混合器混合溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)和流線分布變化如圖6 所示,旋渦處的溶液混合更加充分,旋渦的產(chǎn)生促進(jìn)了溶液間的混合。當(dāng)Re=10時(shí),四邊形混合腔微混合器 M 高于五邊形混合腔微混合器,主要由于五邊形混合腔微混合器在障礙物前形成的旋渦較小,對(duì)溶液混合的促進(jìn)作用明顯弱于四邊形混合腔微混合器。當(dāng) Re=40時(shí),五邊形混合腔微混合器在障礙物前形成的旋渦明顯變大,同時(shí)漸擴(kuò)的混合腔結(jié)構(gòu)使得障礙物前端的空間減小,流體間擴(kuò)散距離縮短,對(duì)流擴(kuò)散效應(yīng)明顯增強(qiáng),從而導(dǎo)致五邊形混合腔微混合器的 M 高于四邊形混合腔微混合器。

圖 5 不同 Re 下混合腔形狀對(duì)混合性能的影響: (A)混合強(qiáng)度; (B)壓降

圖 6 微混合器平面內(nèi)混合溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)和流線圖: (A)Re=10,五邊形混合腔微混合器; (B)Re=40,五邊形混合腔微混合器; (C)Re=10,四邊形混合腔微混合器; (D)Re=40,四邊形混合腔微混合器

由圖 5B 可見,兩種混合腔形狀在Re為0.1 ~80時(shí)對(duì)P的影響趨勢(shì)一致,都是隨著Re的增加而增強(qiáng)。五邊形混合腔的P低于四邊形混合腔,這是因?yàn)楫?dāng)混合腔形狀由四邊形改變成五邊形時(shí),流體從窄縫流入混合腔的形式從突擴(kuò)轉(zhuǎn)變成了漸擴(kuò),局部損失大大減小,導(dǎo)致P減小。綜合考慮混合腔結(jié)構(gòu)對(duì)M和P的影響,當(dāng) Re 5 和 Re20時(shí),經(jīng)過優(yōu)化后的五邊形混合腔微混合器與四邊形混合腔微混合器相比,由于引入了漸擴(kuò)結(jié)構(gòu), 可在壓降減小的同時(shí)實(shí)現(xiàn)混合強(qiáng)度提升,混合性能也顯著提升。

（3） 障礙物形狀對(duì)混合性能和流動(dòng)特性的影響

在強(qiáng)化流體對(duì)流的基礎(chǔ)上,以矩形擋板為原型,設(shè)計(jì)凹槽和工字形擋板 3 種障礙物的形狀如圖7所示。w1 =40微米,障礙物分別為矩形擋板、凹槽擋板和工字形擋板時(shí),得到的M和P如圖8所示。由圖8A可見,3種障礙物在Re為0.1 ~80時(shí)對(duì)M的影響趨勢(shì)一致。Re在0.1 ~1 之間,M隨 Re的增加而下降。Re在1 ~80中間,M 隨Re的增加而上升。其中,Re 在0.1 ~1 區(qū)間內(nèi),3 種障礙物對(duì)應(yīng)的微混合器的M基本一致,此時(shí)混合主要依靠分子擴(kuò)散,障礙物形狀對(duì)分子擴(kuò)散的影響并不大。Re在5 ~20 之間,凹槽擋板的M高于另外兩種障礙物。Re=20 時(shí),凹槽擋板的M分別比工字形擋板和矩形擋板的M高1.4%和13.6%。Re在40 ~60之間,工字形擋板 M高于另外兩種障礙物。Re=40時(shí),工字形擋板的M分別比凹槽擋板和矩形擋板的M高0.6%和8.8%。Re=80時(shí),3種障礙物對(duì)應(yīng)的微混合器M又趨于一致。

由圖8B可知,3種障礙物在Re在0.1 ~80之間,對(duì)P的影響趨勢(shì)一致,都是隨著Re的增加而增強(qiáng)。其中,凹槽擋板引起的P略高于另外兩種障礙物形狀,這是因?yàn)榘疾蹞醢甯淖兞苏系K物附近流體的流動(dòng)方向,使流體之間的碰撞加劇,內(nèi)部能量損失嚴(yán)重, 導(dǎo)致沿程阻力增大。Re=80時(shí),凹槽擋板的壓降P=72kPa,比矩形擋板高7kPa。

圖 7 3 種不同形狀的障礙物: (A)矩形擋板; (B)凹槽形擋板; (C)工字形擋板

圖8 微混合器混合溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)和流線分布圖: (A)Re=0.1,矩形擋板; (B)Re=20,矩形擋板; (C)Re=0.1,凹槽形擋板; (D)Re=20,凹槽形擋板; (E)Re = 0.1,工字形擋板;(F)Re=20,工字形擋板

Re 為0.1和20時(shí),3種不同障礙物微混合器混合溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)和流線分布變化,如圖 8所示。Re=0.1時(shí),三者的M基本一致,內(nèi)部流體的流動(dòng)狀態(tài)都是層流,流動(dòng)速度小,流體在通道中的停留時(shí)間相對(duì)延長(zhǎng),不同流體分子間擴(kuò)散充分,混合效果較好。Re=20時(shí),凹槽擋板的混合效果最優(yōu),工字形擋板次之,矩形擋板最差。此時(shí)微混合器內(nèi)均出現(xiàn)旋渦,旋渦的出現(xiàn)有利于不同流體在展向方位上相互碰撞、滲透。由于凹槽擋板在流體來流方向上的下陷距離最長(zhǎng),導(dǎo)致渦流的影響范圍最大,相比另外兩種障礙物,對(duì)流增強(qiáng),混合性能提高。

5 結(jié)論

窄縫寬度、混合腔形狀以及障礙物形狀等微通道幾何構(gòu)型參數(shù)影響微混合器的混合性能。 優(yōu)化后的平面混沌式微混合器,利用射流特性加劇流體間的碰撞,同時(shí)利用擋板成渦原理在障礙物兩側(cè)形成多個(gè)旋渦區(qū),從而強(qiáng)化流體擾動(dòng),增大流體間的接觸面積,促進(jìn)對(duì)流效應(yīng),改善混合效果,在分析檢測(cè)領(lǐng)域有助于樣本與試劑的充分混合。

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