振荡流-微涡复合式微型混合器性能研究

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摘要在生物、化学、材料等科学实验中，经常需要对流体进行操作，如样品DNA的制备、液相色谱、PCR 反应、电泳检测等操作都是在液相环境中进行。当实验所用流体的量级极小时，流体的流动呈粘性层流状态，从而造成流体混合的困难，这时功能强大的微混合装置就显得必不可少。相对于传统的微混合器，一种新型的振荡流-微涡复合式微型混合器设计能达到更好的混合效果和更快的混合速度。本文首先概述了微流体混合器的常见设计方法、工作原理及其应用。进而对这种复合式微型混合器进行了详细研究，通过有限元分析考察了其流体流动特征及混合性能；掌握了微流体混合器的测试方法及混合性能的量化计算方法，并考察了流体流率等参数对混合性能的影响。47867

毕业论文关键词微流体微混合器参数影响性能

毕业设计说明书外文摘要

Title A study on the performance of an oscillating flow-micro vortex microfluidic mixer

Abstract

In the biology， chemistry， materials and other scientific experiments， it is often required to manipulate tiny-volume liquids， such as the preparation of samples DNA， liquid chromatography， PCR reaction， electrophoresis detection and other operations are carried out in the liquid phase environment. When the volume of the liquid samples is very small， the relevant flow is typically viscous laminar flow. Then a powerful micro mixing device is essential. Compared to traditional micro mixers， an innovative oscillatory flow-micro vortex microfluidic mixer can achieve faster and more complete mixing. In this work， we first summarized the common methods used for microfluidic mixer design， their working principles and applications. Then the oscillatory flow-micro vortex microfluidic mixer was studied. Finite-volume analysis was conducted to examine the flow characteristics of the mixer and its mixing performance. The numerical methods to test the mixing rate， the quantification method of fluid mixing， as well as the influences of key parameters such as the flow rate， etc were presented.

Keywords: micro-flow; microfluidic mixer; fluid mixing

1 引言 1

1.1 微流控技术现状1

1.2 微混合器技术2

1.2.1 主动混合 3

1.2.2 被动混合 3

1.3 一种y型振荡流混合器及缺陷8

2 研究方法10

2.1 振荡流-微涡复合式微型混合器结构设计10

2.1.1 结构参数10

2.1.2 混合器原理及优点11

2.2 混合器混合效率测试 11

2.2.1 测试原理及工具11

2.2.2 仿真参数选择13

2.3 微流体混合器测试系统 24

3 数据的处理和讨论 26

3.1 流速对混合效率的影响 26

3.1.1 混合程度的测定26

3.1.2 流速对混合程度的影响28

3.2 微涡 29

3.2.1 速度矢量可视化处理29

3.2.2 流速对微涡的影响33

3.3 压力损失 36

3.4 分析结果总结 38

4 总结与展望39

4.1 工作总结 39

4.2 对后续工作的建议 39

致谢 41

参考文献 42

附录1 微流体混合器性能测试流程图43

1 引言

1.1 微流控和微流体混合技术需求

微流控技术即是在微观尺寸下操作复杂流体的技术，这是一门近年来新兴的技术，涉及了微电子，流体力学，微机械，生物技术等多门学科。最早的微流控芯片技术是由A．Manz和Widmer以“微全分析系统”概念提出的[1]，即希望以微机电系统(Microelectromechanical Systems，简称MEMS)技术为实现手段，通过生化分析设备的微型化与集成化，最大限度地把常规分析实验室的各项研究功能集成到便携的仪器分析设备中，甚至集成到一块几平方厘米(甚至更小)的芯片上，即微流控芯片(microfluidic chip)，或称芯片实验室(Lab on a chip，简称LOC)[2，3]。