一种隔板式电渗微混合器的设计.doc
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1、一种隔板式电渗微混合器的设计Design of a Clapboard-type Electroosmosis Micro-mixer ZHOU Teng WANG Hanlin GE Jian SHI Liuyong ZHANG Yan (Mechanical and Electrical Engineering College,Hainan University,Haikou,Hainan 570228) Abstract The analysis model is targeted at the micro-mixer based on electroosmotic driving fo
2、r theoretical model. The finite element model of the micro-mixer is built by using the finite element method, and the coupled-field simulation analysis is accomplished, the efficiency of mixing is simulated and analyzed under AC field. It expound the mixing mechanism qualitatively, and the results s
3、howed that the efficiency of mixing rose up with AC field applied on microfluidic mixer, and the mixing characteristics of the micro-mixer tend to accomplish better performance. Key words micro-mixer ; numerical simulation ; AC field ; fluid dynamics ; electroosmosis ?S着时代发展,微流控技术日趋成熟,微混合器作为微流控系统的一个
4、分支1,广泛地运用在了化学分析、医学临床、生物环境监测等领域的试剂混合中。有许多生化反应是建立在不同种反应物充分混合的基础上的,而对于微混合器内的流体,雷诺数较低,忽略了惯性效应的流体流动缓慢2-4,这种情况下试剂间的混合基本依靠分子间的扩散,难以实现试剂间的完全混合5-8。因此,国内外许多研究者提出了许多不同微尺度下的混合器结构,这些微混合器根据结构和工作原理的不同可以分为主动式微混合器和被动式微混合器。主动式微混合器有电磁驱动型、热驱动型、超声波驱动型、电驱动型、机械扰动型等类型,其特点是流体可控性强,试剂混合速度快、混合效率高、混合效果好9,但是需要外部的能量驱动,部件结构较大,很难运用
5、到一些条件苛刻的试剂分析中;被动式微混合器主要是通过改变微通道的结构,增大试剂间的扰动从而增加混合效率,并且结构简单,无需外部驱动输入,适用于大部分环境条件,但流体的控制性较差,比较依赖微管道的结构10。 笔者研究了一种新型的主动式电渗流微混合器,在环形微管道四周对称分布两对电极,当施加交流电场时,改变了管道内的电势分布,这些交替分布的电势会诱导流体产生电渗运动,使得流体单元发生拉伸和折叠从而增强了流体的混合效果11。基于流体控制方程和有限元方法对该模型进行数值仿真,并探讨了混合过程机理和混合效果。 1 数学模型 主动式微混合器结构见图1。使用圆环形结构微管道作为混合器主体,在环形管道的竖直轴
6、线上对称分布两块隔板,其中AB和CD分别为混合器入口和出口,圆环形管道表面对称分布两对电极分别为1、2、3、4,4个电极之间施加交流(AC)电场,其中电极2和4的电势为V0sint,电极1和3的电势为-V0sint。流体从AD边界驱动输入,流体为不可压缩流体。本研究采用Navier-Stokes方程描述流场,对流扩散方程描述浓度场,泊松方程描述电场,公式为(1)-(4): ?pI-(?u+?uT)+u?u=f (1) ?u=0 (2) ?2=0 (3) u?c=?(D?c) (4) 式中,为流体密度、为流体的粘度、u为流体速度、p为流体压强、c为流体的浓度、D为流体的扩散系数、I为单位张量。其
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