声波诱导气泡微混合器流动特性研究

第41卷,总第242期2023年11月,第6期
《节能技术》
ENERGY CONSERVATION TECHNOLOGY Vol.41,Sum.No.242
Nov.2023,No.6
声波诱导气泡微混合器流动特性研究
杨敬东1,吕海舟1,刘婉莹2,关　键3,许　飞4
(1.浙江能源天然气集团有限公司,浙江　杭州　310000;2.浙江省白马湖实验室有限公司,浙江　杭州　310000;
3.浙江省能源集团有限公司,浙江　杭州　310020;
4.中国计量大学计量与测量工程学院,浙江　杭州　310018)
摘　要:为了了解声场作用下微混合器内部流场特性,基于ANSYS 模拟了单个声波周期内不同时刻的涡流结构、压力分布、速度分布,同时研究了声波驱动振幅、驱动频率和驱动波形对微混合器内部流体流速的影响。

研究结果表明,声场作用下气泡微混合器内的流体流动主要受到气泡振荡的影响;气液之间的压差是气泡振荡的直接原因,且气体压力变化存在约0.15个周期的延滞;相同条件下采用0.7占空比的方波波形能得到更大的流体流速。

关键词:微混合器;微流控芯片;声波;数值模拟;气泡振荡
中图分类号:TQ051.7 文献标识码:A 文章编号:1002-6339(2023)06-0497-05
Study on Flow Characteristics of Sonic Induced Bubble Micromixer
YANG Jing -dong 1,LV Hai -zhou 1,LIU Wan -ying 2,GUAN Jian 3,XU Fei 4
(1.ZheJiang Energy Natural Gas Group Co.,Ltd.,Hangzhou 310000,China;2.Zhejiang Baima Lake Laboratory Co.,Ltd.,Hangzhou 310000,China;3.Zhejiang Mechanical and Electrical Group Co.,Ltd.,Hangzhou 310020,China;
4.College of Metrology and Measurement Engineering,China Jiliang University,Hangzhou 310018,China)Abstract :In order to understand the internal flow field characteristics of the micromixer under the action of the sound field,ANSYS was used to study the vortex structure,pressure distribution and velocity dis⁃tribution at different times in a single sound wave cycle,the effects of acoustic driving amplitude,driving frequency and driving waveform on the fluid velocity inside the micromixer were also studied.The re⁃search results show that the fluid flow in the bubble micromixer under the action of the sound field was mainly affected by the influence of bubble oscillation.The pressure difference between gas and liquid was the direct cause of bubble oscillation,and there was a delay of about 0.15cycle in gas pressure change.Under the same conditions,a square wave with an airvoid ratio of 0.7can result in a higher fluid velocity.
Key words :micromixers;microfluidic chip;sonic;numerical simulation;bubble oscillation 收稿日期　2023-06-18 修订稿日期　2023-06-28基金项目:省自然科学基金(LQ21A020007);青年科技人才培育
专项(B 类)(2021YW48);国家自然科学基金青年项目(12102418)
作者简介:杨敬东(1968~),男,本科,高级工程师,主要从事能
源化工研究。

微流控芯片[1]的高效、环保、集成度高、灵敏性
好等优点,使其在化学[2]、生物[3]、医学[4]、流体[5]
等学科领域具有广泛的发展前景。

微流控芯片中流体试剂是否能够在生化反应前达到有效混合将会对后续反应的可信度、微流体器件的灵敏度起直接影响,因此负责微流体高效均匀混合的微混合器[6-7]成为微流控系统中最重要的前处理装置之一,在芯片实验[8]研究中占有重要地位。

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794·
其中以气泡为诱导的声学微混合以其无创性、
高效率引起了人们的广泛关注。

基于微气泡诱导的
声学微混合器中,流体混合主要依靠由声波换能器
产生的超声波,使得微气泡振荡产生微束和喷射效
应[9],从而提高流体的混合效率。

微气泡诱导混合受到多种因素的共同影响。

对于单气泡来说:气泡
振动诱导的流场分布和流体混合程度与微气泡位置
密切相关[10];混合再现性和混合效率很大程度上取决于气泡尺寸、形状,不同尺寸、形状的微气泡会有不同的共振频率[11-12],受声场激励作用后,在流体中会产生不同形式的声流场,产生不同的混合效率比。

对于多气泡而言:气泡间距,布置方式以及气泡尺寸一致性会对流体混合效果产生影响,两个气泡的混合效果优于单个气泡,气泡间距对混合效率基本无影响,气泡异侧布置会比同侧布置有更好的流体混合效果[13],气泡尺寸的一致能使声学微混合器具有更好的重复性[14]。

综上,基于声波诱导的气泡微混合器相比较其
他类型的微混合器具有结构简单、混合高效且易与
其他微流控手段相结合的优点,是目前微混合器发
展的重要方向,而目前针对此类微混合器的研究多
以实验手段为主,缺乏微混合器内的流场分布及其
受声场驱动参数的影响情况相关研究。

因此,本文
使用VOF方法对声场作用下利用气泡振荡诱导的
流体流动特性展开研究。

1　数值方法
1.1　几何模型
本文研究的声波驱动型微混合器主要由混合微
腔和气泡阱两部分组成,如图1所示为研究采用的
微混合器几何模型结构,包括流体进、出口通道,两
个对称的气泡阱以及用于混合作用的微腔室,其中
混合微腔的直径设置为1mm,它分别与两个长度与
宽度均为400μm的矩形气泡阱相连,体积大约为78.5nL,该腔室主要用于流场的观察分析和多种流体的有效混合。

图1　微混合器的几何结构模型1.2　控制方程
微尺度下的流体流动和流体混合依旧遵循经典力学的基本定律,本文所涉及的研究对象都是连续介质流体,声波加载以声压驱动的形式实现,对热交换和微通道变形等问题不予考虑,因而整个数值模拟过程都可以把连续介质流体力学的基本方程作为理论支撑,主要包括连续性方程、动量守恒方程、对流扩散方程和体积分数方程
∂
∂t(ρ)+∇·(ρv)=0(1)∂
∂t(ρv)+∇·(ρvv)=-∇p+μ∇2v(2)
∂αg
∂t+(v·∇)αg=0(3)式中　ρ———流体的密度;
v———流体的体积;
μ———流体的动力黏性系数;
αg———流体的体积分数。

已知微通道内的流体流动处于层流状态,选择层流计算模型;采用PISO算法用于压力场与速度场的耦合求解运算;采用二阶迎风格式用于空间离散。

本文对气泡微混合器的研究中,将环境压力设置为一个标准大气压,声波驱动作用于混合微腔上表面,并根据声压基本概念引入声压公式
U=U0cos(2πft+φ)+U s(4)
T=1/f(5)式中　U s———压力偏移量,设置为5000Pa;
U0———声压驱动幅度;
f———声压驱动频率;
φ———初始相位角;
T———声压驱动周期。

此外,将微混合器的进口设置为壁面,出口设置为压力出口,微通道壁面均设置为无滑移刚性壁面。

1.3　数值模型准确性验证
本文借助Chen[15]相关实验数据验证本文数值模型的准确性。

实验中的压电换能器置于微混合器上表面,输出驱动频率为7.9kHz、占空比为0.7的方波波形,出口液压设置为0。

如图2所示,分别是通过模拟与实验得到的流场对比图,两者采用的几何模型、尺寸结构均保持一致。

微腔室中的流场在经过声波驱动的一段时间后进入稳定状态,分别从气液界面和涡流结构的角度看,都能观察到模拟结果与实验结果的一致性,故可认为本文采用的数值模型具有准确性。

·894·
图2　模拟与实验[15]的流场对比图
2　结果与讨论
2.1　单个声波周期内的流场
本文,首先对单一流体(去离子水溶液)在气泡
微混合器内的流场分布进行了分析。

驱动声波频率f 设置为7.9kHz(长、宽均为400μm 的矩形气泡在水中的共振频率),声压振幅设置为2kPa,驱动波形设置为正弦波。

定义无量纲时间t ∗=t /T ,其中T 是驱动声波的周期,T =1/f 。

40个声波驱动周期
后,数值计算达到稳定状态。

选取z =0.5mm 的x -y 截面作为特征截面,将单个声波驱动周期内的流线图与压力图进行对比。

将流线图的x <0部分和压力图的x >0部分做合并比较,选取九个时间点进行具体分析,得到每个时刻的流线分布与压力分布对比图
3。

图3　单个声波周期内的涡流、压力对比图
从图3中容易发现,单个声波周期内的气体压力变化区间在1000Pa 到10000Pa 之间,液体压力的变化相对于气体压力来说几乎可以忽略不计。

在(i +0.125)T 、(i +0.625)T 时刻,气体压力分别达到一个声波周期内的最大值和最小值。

在考虑气液压差大小对涡流产生的影响时,对压差做绝对值考虑,气液压差绝对值在单个驱动周期内的变化曲线如图4中所示,在(i +0.125)T 、(i +
0.625)T 两个时刻达到峰值,说明涡流的形成与气液间的压力差密切相关。

涡流强度在一个声波周期内并不固定,其强度随气液压差绝对值的增大而增大,
当压差绝对值减小时,涡流会逐渐减弱甚至消失。

图4　单个声波周期内的压力比较图
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994·
取相同时刻的流线分布与速度云图进行对比,如图5所示。

通过流线分布、速度云图的对比分析,发现速度分布与涡流产生位置密切相关,对应于涡流产生位置的速度总是能取到当前时刻的最大值,说明涡流的出现在流体中引入了强烈的扰动作用。

在一个声波周期内,(i+0.125)T、(i+0.625)T的流体流动速度明显大于其他时间,说明此时的声微流作用强、辐射范围广,与此时的气液压差绝对值达到峰值相对应,因此得到气液压差的变化导致气液界面发生振荡,引入扰动促进流体流动。

图5　单个声波周期内的涡流、速度对比图
选取特征截面上x=0mm的直线位置做一个
声波驱动周期内的速度趋势分析,如图6所示。

其
中,(i+0.125)T时的流场速度明显大于其他时刻,
在气液界面附近能达到1.16m/s,而同样能够出现
明显涡流现象的(i+0.625)T时刻的速度最大值却
在0.96m/s左右。

从图4中的气液压差绝对值曲
线中得到解释,(i+0.125)T、(i+0.625)T两个时
刻的压差绝对值虽然都位于曲线峰值,但(i+0.125)T
时刻的气体压力与液体压力差值显然更大,从而导
致气液界面做更为剧烈的振荡运动,诱导流体产生
更大的流场速度。

因此下文均以(i+0.125)T作为
特征时刻进行研究。

图6　单个周期内的流速变化
2.2　驱动参数对流体流速的影响
在对基于声波诱导的气泡微混合器的流体流动
特性研究中,声波驱动参数的选择会对流场产生不
同的影响,分别就声波驱动振幅、驱动频率及驱动波
形对流体流速的影响作用进行探讨。

其中研究对象
选择的是特征截面上x=0mm的直线。

2.2.1　驱动振幅对流速的影响
在保持其他条件不变的前提下,选择的声压大
小分别为16Pa、80Pa、400Pa、2000Pa和4000Pa,
在相应的声压大小下,产生的流体流速如图7所示。

图7　驱动振幅对流体流速的影响·005·
可以看出无论驱动振幅的取值多少,气液界面附近的流体流速均会明显大于其他流体区域。

此外,讨论分析驱动振幅对流速的具体影响,发现当振幅从16Pa 增加至4000Pa 的过程中,流速总体上呈现出先增大后减小的趋势,当振幅增加到
2000Pa 时流速最大值可以达到1.18m /s。

从振幅为16Pa 和80Pa 的两条流速曲线基本重合的现象来看,当驱动振幅过小时,对流速影响很小甚至不起作用,主要因为此时的驱动振幅不足以气液界面做周期性振荡或振荡作用非常微弱;当振幅从80Pa 增加到2000Pa 时,可以看到流速明显加大,此时的气液界面具有规律的周期性振荡,且振荡幅度能够随驱动振幅的增加而变大;而当振幅再次增加至4000Pa 时,流速又出现减小的趋势,说明加载的驱动振幅已经超过最佳取值,过大的振幅可能会导致气液界面的变形,无法维持原有的稳定状态,不能产生规律的周期性振荡,减弱声微流对流体的扰动作用。

总结发现,声波驱动振幅的取值不宜过小或过大,应当在保证气液界面稳定振荡的前提下,适当增大振幅取值。

2.2.2　驱动频率对流速的影响针对声波驱动频率对流体流速的影响进行分
析,得到的结果如图8所示。

图8　驱动频率对流体流速的影响
从图8中可以看出,当驱动频率分别为5kHz、
7.9kHz 和10kHz 时,流速曲线基本重合,7.9kHz 作为气泡的共振频率却没有表现出明显优势,可能是与气液界面波动导致气泡无法维持规则的矩形形状有关,这与实验中得到的结论相符合。

当驱动频
率增加至20kHz 时,流速虽有所下降但并不明显,说明在较为宽泛的驱动频率范围内,流体流速都能有非常不错的取值,微混合器具有良好的驱动性能。

2.2.3　驱动波形对流速的影响
驱动波形作为其中一种声波驱动参数,也会在
一定程度上对微混合器内的流体流动特性产生影
响。

上文所有计算中采用的声波驱动均为正弦波形,故在保持其他影响因素相同的条件下,考虑选择一种占空比为0.7的方波波形进行数值计算,并对两种波形下产生的流体流速进行比较,具体结果如图9所示。

图9　驱动波形对流速的影响
从图9中可以直观地发现,在不受其他条件的干扰下,采用方波波形产生的流体流速最大可达到
1.41m /s,明显大于采用正弦波形产生的流体流速,说明声微流在方波波形的驱动下能产生更强的扰动作用,也证明驱动波形的选择对微混合器内部流体流动有重要影响。

2.2.4　小结研究分析上述各项声波驱动参数对流体流速产生的影响时可以发现,无论是驱动振幅、驱动频率还是驱动波形,都会对流速产生不可小视的影响,且各自都有适宜的取值范围,因此驱动参数的选择需要非常谨慎。

另外,从上文对各声波驱动参数的讨论分析中也能够看出,参数取值的改变都会首先影响气液界面的振荡效果,从而影响声微流作用和流体扰动作用,最终导致流体流速和流场结构的改变。

3　结论
(1)研究表明声场作用下的气液界面做周期性
振荡的直接原因是气体与液体之间存在的巨大压力差;气体压力和液体压力的波动频率完全跟随驱动声波的波动频率,但气体压力的变化存在一个约
0.15个周期的延滞现象;涡流效果在气液压差绝对值达到峰值的时刻最为明显,对应于该时刻的流场速度最大,对应于涡流产生位置的流体流速最大。

(2)研究流体流速的影响因素。

从驱动参数方面,驱动振幅取值不宜过小或者过大,在保证气液界面做周期性振荡的前提下,取较大的振幅能够得到更好的流场速度;在气泡共振频率的附近范围取值
(下转第506页)
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术创新战略联盟,国家火力发电工程技术研究中心.全国火电机组灵活性改造技术交流研讨会论文集.2018:47-51.
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(上接第501页)
都能得到较大的流体流速;相同条件下采用0.7占空比的方波波形能得到更大的流体流速。

符号说明
αg———气相的体积分数
f———声压驱动频率
φ———初始相位角
p———流体静压
T———声压驱动周期
U———声压
U0———声压驱动幅度
U s———压力偏移量,设置为5000Pa v———液体流速
μ———流体粘度
ρ———流体密度
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