几何构型对平面混沌式微混合器混合性能的影响

摘要

cqvip:微混合器作为实验室芯片(LOC)和微全分析系统(μTAS)的重要组成部分,被广泛应用于生物分析和化学合成等领域,大多用于分析检测系统中的前处理部分,实现检测样本与试剂的充分混合,提升检测精度和效率。本研究设计了一种在五边形混合腔内布置窄缝和障碍物的新型平面被动式微混合器,充分利用流体的射流特性及挡板成涡原理,强化流体扰动,打破流体流动的层流状态,可有效地促进流体混合。通过高速摄影和Micro-PIV系统相结合,验证了数值模拟的准确性,总结了在不同雷诺数(R e)下微混合器的流动特性及混合机理。在综合考虑混合强度和压降的前提下,分析了窄缝宽度、混合腔形状、障碍物形状对微混合器混合性能及流动特性的影响。结果表明,窄缝宽度的缩小可显著提升混合强度,实现高效混合;当R e≤5和Re≥20时,经过优化后的五边形混合腔微混合器与四边形混合腔微混合器相比,由于引入了渐扩结构,可实现在压降减小的同时提升混合强度;当Re≥20时,工字形挡板和凹槽挡板引起的混合强度优于矩形挡板。本研究结果为微流控和微全分析前处理部分中具有高效混合功能的微混合器的设计和开发提供了参考。