一种压电无阀微混合器的理论分析与数值模拟

摘要

微混合器是微流体芯片中的重要组成部分，主要用于生化反应前各种试剂的充分混合。因其尺寸小，混合时间短，精确度高等特点，微混合器在化学分析、生物及化学传感、分子分离、核酸排序及分析、环境监测等领域有着广泛的应用前景。近年来，采取措施改善混合效果，减少流体充分混合所需的时间，成为微混合器研究的热点。本文在总结近年来微混合器的发展现状的基础上，提出一种可实现泵送和混合的压电无阀微混合器。压电无阀微混合器是个复杂的多物理因素耦合系统，由于其尺寸微小，结构尺寸、形状、流体的流动特性等因素对它的性能均产生较大的影响。为了探讨该微混合器的内部流动规律，本文具体展开的工作主要有以下几个方面：
　　 1.对基于MEMS的微混合器进行了简要的概述，对微混合器的国内外现状和应用发展前景进行了归纳总结；介绍了微流体混合的基础知识。
　　 2.基于压电基础理论知识，利用有限元分析软件ANSYS对圆形压电振子分别进行模态分析和瞬态动力学分析，得到正弦电压驱动下的压电振子在一阶固有频率下的动态特征，并拟合得到压电振子断面上的任意点在任意时刻的位移公式。
　　 3.基于微流体混合和无阀微泵的工作原理，介绍分析了压电无阀微混合器的结构构造和工作原理。对变形Tesla混合旨进行数值模拟，从混合管方面说明了微混合器实现泵送和混合的功能，并对混合管进行了参数化结构优化，得到了一较理想的混合管结构。
　　 4.针对压电振子的运动特征，采用C语言进行UDF编程，将程序进行编译并调入Fluent软件，作为运动边界，结合动网格技术，通过间接耦合的方法对微混合器进行动态数值模拟。得到了压电无阀微混合器内部流场特征，由其动态特征可得知采用动网格模型来设定压电振子运动边界是正确可行的。并采用动网格模型研究分析了驱动频率，压电振子振幅，泵腔高度对微混合器泵送和混合效能的影响，为无阀压电微馄合器的优化设计提供了一定的依据和参考价值。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：符号表

声明

第一章绪论

1.1 引言

1.2微混合器研究进展

1.2.1被动式微混合器

1.2.2主动式微混合器

1.3微混合器的应用与发展

1.4本文研究的内容、意义以及目的

第二章微流体混合基础知识

2.1微尺度流动特征

2.2微流体力学中的的几个典型问题

2.3微流体混合基础理论

2.3.1微流体混合概述

2.3.2微流体混合工作条件

2.3.3扩散混合和对流混合

本章小结

第三章压电混合器用压电振子的振动分析

3.1压电基础理论

3.1.1压电材料与压电效应

3.1.2圆型压电振子结构和振动模式

3.1.3压电方程

3.2压电振子的有限元分析

3.2.1压电振子模态分析

3.2.2压电振子瞬态动力学分析

本章小结

第四章微混合器的工作原理及混合管数值模拟分析

4.1数学模型和基本动力学方程

4.2无阀微泵工作原理及流动特性分析

4.2.1无阀微泵的工作原理

4.2.2无阀微泵的流量分析

4.3微混合器结构及工作原理

4.4变形Tesla混合管的数值分析

4.4.1仿真模型及边界条件

4.4.2衡量混合效果的指标σ

4.4.3参考模型的数值模拟

4.4.4混合管的参数结构优化分析

本章小结

第五章压电无阀微混合器的动态模拟分析

5.1几何模型及边界条件

5.1.1几何模型

5.1.2边界条件

5.2动态特征的实现与UDF编程

5.2.1动网格技术理论

5.2.2动网格边界运动的实现方法

5.2.3 UDF程序

5.3网格划分

5.4数值结果及分析

5.4.1混合器内部流场的动态特征分析

5.4.2不同参数对压电微混合器流量的影响

5.4.3压电微混合器的混合结果分析

本章小结

第六章工作总结与展望

参考文献

攻读硕士期间发表论文情况

致谢