被动式微混合器的数值研究及优化

摘要

被动式微混合器是微系统领域的一个热门的问题，本文应用计算流体力学的方法对简单直通道微混合器、交错人字型微混合器两种典型的被动式微混合器进行数值模拟及优化，探究其混合机理和性能。
　　对于简单直通道微混合器(SCM)结构，实现混合的原因就是依靠流体分子间的扩散。雷诺数(Re)不变时，Sc数越小，混合质量越好;Sc数不变时，Re数越大，混合质量越差;且Re数越大，不同Sc数情况下的混合不均匀度的值越接近，混合不均匀度值的波动对较高雷诺数不敏感。
　　对于交错人字型微混合器(SHM)结构，其内部由于沟槽的结构呈现出一种具有共存且周期性交替出现的一大一下两涡的双螺旋流动;混沌对流效应大大提高了混合效率，使其混合质量远高于SCM;选取非对称度与沟槽角两种几何参数进行研究，验证了使混合质量较高的最优参数组合。
　　对SHM进行优化，得到了一种新的结构，证明其混合效果好于传统SHM，并且双壁面沟槽SHM的混合质量比前两者都要好;对于SHM这种混沌对流式微混合器，混合完成不仅依靠扩散，更得益于混沌对流。在低Re数情况下，Sc数和Re数越小，混合越容易，Sc数的数量级变大以后，扩散系数急剧减小，扩散作用对混合的影响程度减小，混沌对流效应变成混合达到充分的主导原因;Re数的增大使流速增大，导致流体分子间的接触时间和面积变短，扩散作用变得不再明显，此时混沌对流影响较大。

目录

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致谢

摘要

1．绪论

1．1．研究背景

1．2．微混合器的研究现状

1．2．1．微混合器及其分类

1．2．2．被动微混合器的类型

1．2．3．主要研究方法及存在的问题

1．3．研究内容及意义

1．3．1．研究内容

1．3．2．研究意义

2．微流体及微混合的基本理论

2．1．微尺度和微混合的基本理论

2．1．1．微尺度基本理论

2．1．2．微混合基本理论

2．2．微流体力学的基本概念

2．2．1．基本概忿

2．2．2．相关无量纲准数

2．3．基本方程

2．4．小结

3．简单直通道微混合器的数值研究

3．1．几何模型和物理模型

3．1．1．几何模型

3．1．2．物理模型

3．2．数值计算结果分析

3．2．1．定Re数条件下Sc数对混合的影响

3．2．2．定sc数条件下Re数对混合的影响

3．2．3．微通道内的压降分析

3．3．小结

4．SHM的数值研究

4．1．几何模型与网格划分

4．2．数值计算及结果分析

4．2．1．SHM内混合形态分析

4．2．2．几何参数影响

4．3．小结

5 优化SHM结构的数值研究

5．1．几何模型

5．2．数值计算及结果分析

5．2．1．定Re数条件下Se数对混合的影响

5．2．2．定Sc数条件下Re数对混合的影响

5．2．3．微通道内的压降分析

5．3．小结

6．总结与展望

6．1．总结

6．2．展望

参考文献