生物芯片微扩散管流量及微通道液体混合特性

摘要

微流体泵是生物芯片的核心流体驱动部件。微扩散管是无阀微流体泵的重要部件之一。它的结构及流动特性直接影响着微流体泵的工作性能。生物溶液和化学试剂的混合是生物芯片分析过程最重要的一个步骤，微混合器是生物芯片最重要的部件之一，它的混合效果直接影响到生物芯片的分析效果。因此，对微扩散管和微混合器的流动特性研究对研发高性能的生物芯片有重要意义。本文采用数值方法分别研究了生物芯片中微扩散管和微混合器的流动特征、流量效率和液体混合效率，论文共分两部分：一，微型扩散管流动特性和流量效率。作为生物芯片压电微流体泵最重要的部件，它的流量效率是微流体泵关键技术之一。本文对矩形截面的微型扩散管流动进行无量纲分析，并采用CFD软件FLUENT对微型扩散管液体三维流动进行大量的数值实验。计算表明，微扩散管流量与扩散管结构几何参数、压强差、液体性质密切相关。大量计算结果得到矩形截面的扩散管流量效率随无量纲参数(雷诺数、长宽比、厚宽比和扩散角)的变化规律，以及最佳流量效率的设计参数范围。二，微混合器流动特性和液体混合效率。本文采用数值方法研究生物芯片弯曲微通道三维周期流动特征，以及生物样品溶液和试剂液体在微通道扩散混合过程。本文采用CFD软件FLUENT对微通道四种流动工况进行详细计算和分析：(1)矩形截面直微通道定常流动；(2)矩形截面直微通道流量不为零的周期流动；(3)矩形截面弯曲微通道定常流动；(4)矩形截面弯曲微通道流量不为零的周期流动。大量的数值分析结果表明，在定向流量、通道截面和长度相同的条件下，从第(1)到第(4)工况顺序，液体混合效率渐次提高。第(4)工况液体混合效率最高。流动特征分析表明，在矩形截面弯曲微通道流量不为零的周期流动中，弯曲微通道横截面的二次流动和周期流动在通道横截面变化的速度分布可以大大提高液体混合效率。