一种鲁洛克斯三角形挡板结构被动式微混合器

allin2022-11-30  38



1.本发明涉及混合器技术领域,具体为一种鲁洛克斯三角形挡板结构被动式微混合器。


背景技术:

2.微流控芯片因其具有实时性、效率高、成本低、使用方便的优点,将传统实验室所拥有的功能集成到一个仅有微米或纳米量级的芯片中的科学技术,在生物医疗、环境检测、化工合成中得到广泛运用,具有广阔的研究前景。其中微混合器作为微流控芯片中不可缺少的部分,在快速混合两种或多种液体发挥重要作用,受到广大学者关注。通常微混合器的通道几何尺寸在几十到几百微米,在其结构尺寸下流体的雷诺数re较小,导致流体处于层流流动状态,此时流体间的混合主要依靠分子扩散,对流扩散作用不显著,使混合时间大幅度延长。因此设计一种在低雷诺数下仍能快速高效混合的微混合器具有重要意义。
3.目前根据混合原理不同,微混合器可分为被动式和主动式两种,主动式微混合器主要依赖外加能量设备影响流体流向来完成混合,而被动式微混合器则只依赖于微通道结构形状发生改变对流体扰动完成混合,被动式微混合器因其结构简单、制造简便、易于集成,应用广泛。
4.2008年,xia等xia h m,wan s,shu c,et al.chaotic micromixers using two-layer crossing channels to exhibit fast mixing at low reynolds numbers.lab on a chip,2005,5(7):748-755.将微通道采用两层交叉通道的三维结构,流体经过多次拉伸折叠、分裂重组,使集中流体转变为多个细小流体,增大流体间接触面积促进了混合,且在re远低于1时仍能实现快速混合。刘赵淼等刘赵淼,王文凯,逄燕.扩展腔对方波型微混合器混合性能的影响研究。力学学报,2018,v.5002:66-74.提出了一种带扩展腔的方波型微混合器,研究了窄缝和扩展腔的尺寸参数对混合性能的影响,并在此后的工作中设计了一种在五边形混合腔内布置窄缝和障碍物的被动式微混合器刘赵淼,赵晟,王文凯,等.几何构型对平面混沌式微混合器混合性能的影响。分析化学,2019,479:1321-1329.,利用流体的射流特性及挡板成涡原理,强化流体扰动,有效地促进流体混合。刘洋等刘洋,毛海央,范文兵,等.一种挡板结构被动式微混合器的设计与仿真。微纳电子技术,2018,554:258-264.在t型直通道微混合器基础上,将通道弯折并在拐角处加有矩形挡板,并建立了有限元模型进行研究,结果表明弯折处截面尺寸剧烈收缩使流体加速,形成较大离心力并在挡板后的通道形成较大涡流,增大对流体扰动,re=5~60可以实现95%的高效混合。
5.上述文献表明,低雷诺数下流体在微通道中混合效果不显著,且随流体流速增大压降大幅增大,设计一种结构简单、功耗损失小且在低雷诺数下仍能表现出良好混合特性的微混合器具有困难。因此探究良好综合混合特性的微混合器具有重要意义。


技术实现要素:

6.鉴于现有技术中所存在的问题,本发明公开了一种鲁洛克斯三角形挡板结构被动
式微混合器,采用的技术方案是,包括通道,所述通道内设有第一通道入口、第二通道入口、通道出口、收缩通道、前混合腔、混合单元,所述第一通道入口、第二通道入口与所述通道出口从左自右设在所述通道内,所述第一通道入口、第二通道入口的之间设有前混合腔,所述通道出口的旁设有所述混合单元,所述混合单元与所述前混合腔相连,所述混合单元内设有多组矩形障碍物,所述矩形障碍物还包括第一矩形障碍物与第二矩形障碍物,所述第一矩形障碍物与所述第二矩形障碍物分别设在所述混合单元的内顶面与内底面,且所述第一矩形障碍物与所述第二矩形障碍物之间形成有聚焦通道;所述矩形障碍物将所述混合单元分成若干腔体,所述矩形障碍物之间设有鲁洛克斯三角形障碍物,所述鲁洛克斯三角形障碍物设有多组、且对角设置,并将所述混合单元分成左上腔、右上腔、左下腔、右下腔,所述左上腔、右上腔、左下腔、右下腔与所述聚焦通道互通。
7.作为本发明的一种优选技术方案,所述通道为t型,且所述第一通道入口、第二通道入口与前混合腔之间呈90
°
角度。
8.作为本发明的一种优选技术方案,所述第一矩形障碍物与所述第二矩形障碍物错位设置,通过错位设置,为两个方向进来的分流体进行横截面突变加速,使其能够能加快速的交汇。
9.作为本发明的一种优选技术方案,所述鲁洛克斯三角形障碍物包括第一鲁洛克斯三角形障碍物、第二鲁洛克斯三角形障碍物,所述第一鲁洛克斯三角形障碍物与第二鲁洛克斯三角形障碍物对角设置。
10.作为本发明的一种优选技术方案,所述鲁洛克斯三角形障碍物包括等边三角形、圆弧,所述鲁洛克斯三角形障碍物由圆心在所述等边三角形的顶点、且以半径等于所述等边三角形作三段所述圆弧围成。
11.作为本发明的一种优选技术方案,所述鲁洛克斯三角形障碍物与所述混合单元之间形成有收缩通道,所述收缩通道与所述左上腔、右上腔、左下腔、右下腔之间互通,通过互通便于流体在其中进行交汇,完成混合。
12.本发明的有益效果:本发明通过基于鲁洛克斯三角形创新性设计了一种具有较高混合性能的被动式微混合器,该微混合器在t型微混合器基础上通过在主通道上非对称布置矩形和鲁洛克斯三角形挡板,通过破坏流体层流流动,促使混合工质流向改变形成二次流、涡流以促进两组分流体间掺混,鲁洛克斯三角形障碍物施,使微通道截面面积收缩剧烈,促进涡流生成,混合效果增强,导致流体工质流向改变程度更大,两组分溶质微粒接触面积增大;矩形障碍物与和鲁洛克斯三角形障碍物共同作用对流体在水平面内流向产生干扰,促进成涡,增加对流体扰动,混合效率增大。
附图说明
13.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案,下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中,各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
14.图1为本发明结构示意图;
15.图2为本发明鲁洛克斯三角形障碍物结构示意图;
16.图3为本发明混合效率随方向角变化曲线示意图;
17.图4为本发明混合效率随边心距变化曲线示意图;
18.图5为本发明混合效率随特征长度的变化曲线示意图;
19.图6为本发明re=1,10,30,90时微混合器内流体速度分布图示意图;
20.图7为本发明re=1,10,30,90时微混合器浓度分布示意图;
21.图8为本发明不同re对微混合器混合效率关系曲线示意图。
22.图中:1、第一通道入口;2、前混合腔;3、左上腔;4、右上腔;5、聚焦通道;6、第一鲁洛克斯三角形障碍物;7、第一矩形障碍物;8、收缩通道;9、通道出口;10、第二通道入口;11、左下腔;12、混合单元;13、右下腔;14、第二鲁洛克斯三角形障碍物;15、第二矩形障碍物;16、等边三角形;17、圆弧。
具体实施方式
23.下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。在本发明的描述中,需要说明的是,术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。此外,术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相正对地重要性。
24.在本发明的描述中,需要说明的是,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言,可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
25.实施例1
26.如图1至图8所示,本发明公开了一种鲁洛克斯三角形挡板结构被动式微混合器,采用的技术方案是,包括通道,所述通道内设有第一通道入口1、第二通道入口10、通道出口9、收缩通道8、前混合腔2、混合单元12,所述第一通道入口1、第二通道入口10与所述通道出口9从左自右设在所述通道内,所述第一通道入口1、第二通道入口10的之间设有前混合腔2,所述通道出口9的旁设有所述混合单元12,所述混合单元12与所述前混合腔2相连,所述混合单元12内设有多组矩形障碍物,所述矩形障碍物还包括第一矩形障碍物7与第二矩形障碍物15,所述第一矩形障碍物7与所述第二矩形障碍物15分别设在所述混合单元12的内顶面与内底面,且所述第一矩形障碍物7与所述第二矩形障碍物15之间形成有聚焦通道5;所述矩形障碍物将所述混合单元12分成若干腔体,所述矩形障碍物之间设有鲁洛克斯三角形障碍物,所述鲁洛克斯三角形障碍物设有多组、且对角设置,并将所述混合单元12分成左上腔3、右上腔4、左下腔11、右下腔13,所述左上腔3、右上腔4、左下腔11、右下腔13与所述聚焦通道5互通,通过两种不同组分流体从第一通道入口和第二通道入口流进混合器中,经通道的中间位置交汇后流入前混合腔,通过鲁洛克斯三角形障碍物,使两种不同分流体在聚焦通道处汇集,然后在通过聚焦通道可能形成射流现象,同时也会产生二次流,对流扩散成为主导,促进溶质微粒掺混。
27.作为本发明的一种优选技术方案,所述通道为t型,且所述第一通道入口1、第二通
道入口10与前混合腔2之间呈90
°
角度。
28.作为本发明的一种优选技术方案,所述第一矩形障碍物7与所述第二矩形障碍物15错位设置,通过矩形障碍物使得流体在横截面积突变的状况下加速。
29.作为本发明的一种优选技术方案,所述鲁洛克斯三角形障碍物包括第一鲁洛克斯三角形障碍物6、第二鲁洛克斯三角形障碍物14,所述第一鲁洛克斯三角形障碍物6与第二鲁洛克斯三角形障碍物14对角设置,通过对角设置,使得两组不同成分流体,分成三条路行走,并最终在聚焦通道处交汇。
30.作为本发明的一种优选技术方案,所述鲁洛克斯三角形障碍物包括等边三角形16、圆弧17,所述鲁洛克斯三角形障碍物由圆心在所述等边三角形16的顶点、且以半径等于所述等边三角形16作三段所述圆弧17围成。
31.作为本发明的一种优选技术方案,所述鲁洛克斯三角形障碍物与所述混合单元12之间形成有收缩通道8,所述收缩通道8与所述左上腔3、右上腔4、左下腔11、右下腔13之间互通。
32.本发明的工作原理:采用comsol multiphysics 5.5软件对上述微混合器进行有限元仿真,仿真分析设置流体速度分析及稀物质浓度分析两个物理场接口,模型中材料选用水,入口边界为层流,出口压力条件为抑制回流且值为0,壁边界条件为无滑移,采用三维navier-stokes控制方程,通道入口1,2进口浓度分别设置为0mol/m3和1mol/m3;流体密度ρ为998kg/m3,动力粘度μ为0.97
×
10-3pa
·
s,样品扩散系数取3.23
×
10-10m2/s。
33.图3表示为分别对雷诺数re为0.1~90时特征长度l=400μm,边心距l3=l5=250μm下,方向角α=0
°
,30
°
,60
°
,90
°
时微混合器的混合效率和压强变化曲线图,从图中可知,α=0
°
时混合效率最高,而α为30
°
,60
°
,90
°
时微混合器的混合效果不如前者,这是因为流体经过α=0
°
的鲁洛克斯三角形障碍物时,微通道截面面积比另外三种情况收缩更加剧烈,导致流体工质流向改变程度更大,二次流现象显著,两组分溶质微粒接触面积增大;另外,流体通过由一对鲁洛克斯三角形形成的狭长收缩通道8时,流体受到挤压,分子扩散距离减小,由于α=0
°
时所形成狭长收缩通道8弧段变长,因而延长流体在其过程混合时间,促进流体的混合;同时,流体通过狭长收缩通道8速度增大,在其出口形成射流效应,又因鲁洛克斯三角形障碍物导致通道截面面积突扩,这有利于流体在一对鲁洛克斯三角形障碍物后形成涡流,引发空腔内流线严重扭曲,提高组分均匀度,故设计该微混合器时选用α=0
°
最佳。
34.图4所示分别展示了特征长度l=400μm,方向角α=60
°
下雷诺数re为0.1~90时,边心距l3=l5=225,250,275μm鲁洛克斯三角形障碍物的混合效率和压强变化曲线,从图中可知,随着边心距减小,该特殊三角形对流体扰动更强烈,由于l3=l5=225μm时距离微混合器边界只有25μm综合考虑到微制造工工艺精度限制,为防止加工难度增大,制造成本过高,设计该微混合器时优选l3=l5=250μm。
35.图5为方向角α=60
°
,边心距l3=l5=250μm,在雷诺数re=0.1~90时特征长度l分别为325,350,375,400μm下微混合器混合效率变化曲线图,由图可知,特征长度变化对促进流体掺混程度较小,随着特征长度l增大,混合效率呈现逐渐增大趋势,这是因为特征长度l增大导致鲁洛克斯三角形障碍物间距离及与边界距离皆减小,截面尺寸的减小导致流体被压缩程度更剧烈,所形成的射流效应增大,为涡流发展长大提供条件,同时特征长度增大引起形成两障碍物间狭长收缩通道8的弧段增长,这反映流体在弧段间可进行更充分的
扩散,进一步促进不同组分间掺混,提高混合均匀度,由图中对压降损失分析可知,特征长度增大,微混合器压降损失增大,阻碍流体运动的现象越明显,设计该微混合器时优选l=400μm。
36.通过鲁洛克斯三角形障碍物对t型微混合器混合效果影响分析可知单一该类型结构难以获得较高的混合效率,为得到更高混合效率的微混合器,现在此结构上增加具有成涡结构特点的矩形障碍物,挡板长w1和宽d分别为350μm,100μm,且取方向角α=0
°
,特征长度l=400μm,边心距l3=l5=250μm,图6为雷诺数re=1,10,30,90时增加挡板后鲁洛克斯三角形微混合器内流体速度分布图,以及a截面上速度矢量图,a截面距离微混合器左端面1550μm,图7为re=1,10,30,90时微混合器浓度分布图,由图6可知,流体流入混合单元12后,主通道在矩形障碍物和鲁洛克斯三角形障碍物作用下截面尺寸发生剧烈收缩与扩大,对流体在水平面内流向产生干扰;截面尺寸的收缩导致流速快速增加,流体在矩形障碍物后及两鲁洛克斯三角形障碍物间窄缝前空腔均形成扩展涡,流体在x轴方向上的速度出现负值即出现回流,混合效果增强;另外,流体经过两鲁洛克斯三角形障碍物间缝隙与右上腔4中流体汇合,图中可发现两支流流线存在交叉,这是因为在挡板影响下流体受垂直方向压力,引发二次流,同时在离心力的作用下右上腔4的y-z截面上形成dean涡,该截面上形成一对方向对称涡旋,对流体扰动进一步增大;由图7c可知在re=30时流体因受扩展涡和dean涡扰动,在经过第三个混合单元12后,已基本完成混合。
37.图8为在工况为方向角α=0
°
,特征长度l=400μm,边心距l3=l5=250μm时,雷诺数re与该微混合器混合效率的相互关系图,当re在0.1~1区间时,混合效率随着re增大而减小,这是由于处在层流状态的流体依靠分子扩散进行混合,随着流速增大,流体在微通道中扩散时间减少;re在1~10区间时,由于通道中逐渐产生涡流,使分子扩散对流体混合影响逐渐降低,对流扩散逐渐显著,导致混合效率快速增大;re在10≤re≤90时,随着流速增大,涡流逐渐发展长大,同时伴随着新涡流中心的形成,对流效应继续增强,在0.1≤re≤90范围,该微混合器混合效率均大于90%,其中当re=90时混合效率达到96.58%,实现流体完全混合,此时该带挡板微混合器压降损失为28.5kpa。
38.本发明涉及的机械连接为本领域技术人员采用的惯用手段,可通过有限次试验得到技术启示,属于公知常识。
39.本文中未详细说明的部件为现有技术。
40.上述虽然对本发明的具体实施例作了详细说明,但是本发明并不限于上述实施例,在本领域普通技术人员所具备的知识范围内,还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化,而不具备创造性劳动的修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

技术特征:
1.一种鲁洛克斯三角形挡板结构被动式微混合器,包括通道,所述通道内设有第一通道入口(1)、第二通道入口(10)、通道出口(9)、收缩通道(8)、前混合腔(2)、混合单元(12),所述第一通道入口(1)、第二通道入口(10)与所述通道出口(9)从左自右设在所述通道内,所述第一通道入口(1)、第二通道入口(10)的之间设有前混合腔(2),所述通道出口(9)的旁设有所述混合单元(12),所述混合单元(12)与所述前混合腔(2)相连,其特征在于:所述混合单元(12)内设有多组矩形障碍物,所述矩形障碍物还包括第一矩形障碍物(7)与第二矩形障碍物(15),所述第一矩形障碍物(7)与所述第二矩形障碍物(15)分别设在所述混合单元(12)的内顶面与内底面,且所述第一矩形障碍物(7)与所述第二矩形障碍物(15)之间形成有聚焦通道(5);所述矩形障碍物将所述混合单元(12)分成若干腔体,所述矩形障碍物之间设有鲁洛克斯三角形障碍物,所述鲁洛克斯三角形障碍物设有多组、且对角设置,并将所述混合单元(12)分成左上腔(3)、右上腔(4)、左下腔(11)、右下腔(13),所述左上腔(3)、右上腔(4)、左下腔(11)、右下腔(13)与所述聚焦通道(5)互通。2.根据权利要求1所述的一种鲁洛克斯三角形挡板结构被动式微混合器,其特征在于:所述通道为t型,且所述第一通道入口(1)、第二通道入口(10)与前混合腔(2)之间呈90
°
角度。3.根据权利要求1所述的一种鲁洛克斯三角形挡板结构被动式微混合器,其特征在于:所述第一矩形障碍物(7)与所述第二矩形障碍物(15)错位设置。4.根据权利要求1所述的一种鲁洛克斯三角形挡板结构被动式微混合器,其特征在于:所述鲁洛克斯三角形障碍物包括第一鲁洛克斯三角形障碍物(6)、第二鲁洛克斯三角形障碍物(14),所述第一鲁洛克斯三角形障碍物(6)与第二鲁洛克斯三角形障碍物(14)对角设置。5.根据权利要求4所述的一种鲁洛克斯三角形挡板结构被动式微混合器,所述鲁洛克斯三角形障碍物包括等边三角形(16)、圆弧(17),所述鲁洛克斯三角形障碍物由圆心在所述等边三角形(16)的顶点、且以半径等于所述等边三角形(16)作三段所述圆弧(17)围成。6.根据权利要求1所述的一种鲁洛克斯三角形挡板结构被动式微混合器,其特征在于:所述鲁洛克斯三角形障碍物与所述混合单元(12)之间形成有收缩通道(8),所述收缩通道(8)与所述左上腔(3)、右上腔(4)、左下腔(11)、右下腔(13)之间互通。

技术总结
本发明公开了一种鲁洛克斯三角形挡板结构被动式微混合器,涉及混合器技术领域,旨在解决目前根据混合原理不同,微混合器可分为被动式和主动式两种,主动式微混合器主要依赖外加能量设备影响流体流向来完成混合,而被动式微混合器则只依赖于微通道结构形状发生改变对流体扰动完成混合,被动式微混合器因其结构简单、制造简便、易于集成,应用广泛;通过通道上非对称布置矩形和鲁洛克斯三角形挡板,通过破坏流体层流流动,促使混合工质流向改变形成二次流、涡流以促进两组分流体间掺混,鲁洛克斯三角形障碍物施,使微通道截面面积收缩剧烈,促进涡流生成,混合效果增强,导致流体工质流向改变程度更大,两组分溶质微粒接触面积增大。大。大。


技术研发人员:谢清政 张峰 付婷 许爽
受保护的技术使用者:武汉科技大学
技术研发日:2022.03.22
技术公布日:2022/7/5
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