微混合器研究进展
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
中等雷诺数区域（10<Re<100）：
Hong等通过热模压和热键合在环烯烃聚合物上加 工出了一种修饰的Tesla结构微混合器
Coanda效应：使流体回流， 由于回流的方向与主流方向 相反，可以大大加强混沌对 流，极大地强化混合效果 结果表明：当Re>5时混合 效果就能达到理想效果
从动式
——混沌对流
惯性对流子域 粘性对流子域 粘性扩散子域 宏观湍流分散
结构简单
操作稳定 容易集成 浓
度 成本较低 脉 动 易自动化 谱
介观粘性变形
微观分子扩散
流体间的剪切 和小尺度拉伸、折叠
接触面积 扩散路径
从动式
——平行迭片
设计理念： 两股流体通过两个入口同时进入一个长的 混合微通道，接触后相互扩散而进行混合 研究最多、最简单、最重要的微混合器：
从动式
——平行迭片
二次流现象：与流体主流方向垂直， 强化混合过程
边界层分离：这种分离能够形成漩涡，使流体层破 裂形成转动方向不同的小漩涡，减少 扩散距离，强化混合过程 微尺度下通道内存在弯曲点、不规则突起或节点时， 使二次流和边界层分离容易发生
“Z”字型微混合器
从动式
——平行迭片
“水力学聚焦”原理微混合器，减小横向扩散路 径
改进 “L”型 流动折叠拓扑结构
旋转型
其它类型微混合器
从动式
——混沌对流
低雷诺数区域（Re<10）： Johnson等首次发现微通道壁 面上的凹槽能够产生混沌对流， 以电力驱动流体流动，在低雷 诺数下就能获得较好的混合效 果： Stroock等研究了两种 不同凹槽结构对混合的 影响，如交错排列的箭 尾形结构
分割－汇合
分割－分割－汇合
从动式
——串联迭片
通过优化微通道结构，使流体层层叠加，He等设计了一种 小体积、小流速的微混合器
K0
从动式
——注射式微混合器
定义： 一相主体流顶部或底部存在一系列喷嘴，而另一种流体通 过这些喷嘴喷射入主体流中形成羽状流，这种羽状流能够 增加两相接触面积和减小混合路径，强化混合过程
contacting
Decrease of diffusion path
High energy collision
（三）微混合器分类
脉冲扰动
电场扰动
主动式 能量种类 磁动力 电动力 超声波 微混合器 有无动力源 热扰动 并行迭片 从动式 作用原理 串联迭片
混沌对流
注射/喷射
从动式微混合器的特点
优点 缺点 混合时间长 混合效果差
主动式微混合器的特点
优点 缺点 不易集成
混合时间短
混合距离短
成本较高
制作困难
可选择性大
适于极低Re数
材质要求高
主动式
脉冲扰动
压力扰动
速度脉冲侧线进料
微搅拌（外加电磁场）
主动式
电场扰动
Moctar等把电极置于微通道内，改变电极两端 电压和频率，使两种不同性质的流体按不同轨 迹运动，在微通道内产生混沌对流，结果发现 在Re=0.02时就能达到较好混合效果
Seminar Ⅱ
微混合器研究进展
学生： 赵玉潮
导师： 袁 权
Байду номын сангаас陈光文
院
士
研究员
微化工技术组
2006/5
主要内容
材质与加工方法
流动特性分析
微混合器分类
混合效果评价方法
（一）材质与加工方法
不锈钢 铝片 硅 石英和玻璃 硬质高分子聚合物 弹性聚合物 光敏聚合物
“T”型微混合器 “Y”型微混合 器 研究微尺度下传递现象的理想设备，如放大（缩小）法则、蝴蝶 效应、以及其它非线性现象 Kockmann 把微通道内层流区域流型分为三种情况：即严格层 流、涡流、席卷流；Wong等发现Re数在400～500，流速达 7.6m/s，流体能够较好混合，压力高达700kPa，给微反应系统 的封装和连接带来了挑战！
时间交叉分段与“水力学聚焦”组合式微混合 器
从动式
——平行迭片
IMM公司的Ehrfeld小组设计了一种交趾式微混和器
从动式
——串联迭片
定义：入口两流体首先水平呈一股流体流动，然后被 垂直分割，再水平汇合，重复此过程，经过m 次汇合和分割后，则会出现2m层薄层流体，能 够使混合时间减小4m-1倍
串联迭片
中等雷诺数区域（10<Re<100）： Liu等报导了一种由“C”型微混合单元串联并 垂直排列而成的三维蛇形微混合器
“T”型入口方式，六个微混合单元，微通道总长度为 20mm。仅在相对高的雷诺数下（Re=25~70），混沌 对流才能够发生
从动式
——混沌对流
中等雷诺数区域（10<Re<100）：
“L”型
主动式
其它能量形式
磁动力：在外加磁场作用下，电极上产生直流 电，使电解质溶液中带电粒子受到罗仑兹力， 并带动流体翻转、折叠，增加接触面积； 超声波：用声波来搅拌微混合器内的流体； 电动力：通过外加电流，改变电渗流速度大小 和方向，产生混沌对流，达到强化混合过程的 目的； 热扰动：改变扩散系数D，如利用热泡产生流 体扰动，以强化混合过程
T 布朗运动的扩散系数：D 6dp
强化混合过程
L
注意：两流体间接触面积，二次流（横向速度）， 外加能量，微通道结构和壁面
微尺度下混合原则
Injection of substream
Periodic injection
Splitting and recombination
Injection into a main stream Forced mass transport
注射式微混合器二维模型
c*
c 2 Q2 /(H )
Miyake等采用DRIE方法在硅片方形混合室内加工了400个喷嘴； Larsen等利用CFD模拟方法研究了喷嘴形状对混合的影响；
从动式
——混沌对流
对混合微通道内部或外部形状进行一定形式的修饰， 原理： 使流体层发生分割、拉长、折叠和破裂等现象，以 强化混合过程
K 0 ( Pe r * / 4) / Pe c ( r , ) exp Pe(r * 1) / 4 K1 ( Pe / 4) K 0 ( Pe / 4) cos
* *
cos
式中，K0，K1分别为第二类变形贝塞耳函数；Pe数 和无量纲浓度c*分别为：
Pe 2UR / D
机械微加工 湿法刻蚀 干法刻蚀 高分辨刻蚀(LIGA) 注塑 原位聚合 热压 气相沉积 软刻蚀
（二）微混合器内流体流动特点
尺度小
（0.01mm~10mm）
2 L Einstein理论： t 4D
Re<2000
层流
扩散！！！
水分子扩散10µ m约需1s 扩散1mm约需1000s 流体性质本身、温度 和一些常数有关 操作和加工难度
Hong等通过热模压和热键合在环烯烃聚合物上加 工出了一种修饰的Tesla结构微混合器
Coanda效应：使流体回流， 由于回流的方向与主流方向 相反，可以大大加强混沌对 流，极大地强化混合效果 结果表明：当Re>5时混合 效果就能达到理想效果
从动式
——混沌对流
惯性对流子域 粘性对流子域 粘性扩散子域 宏观湍流分散
结构简单
操作稳定 容易集成 浓
度 成本较低 脉 动 易自动化 谱
介观粘性变形
微观分子扩散
流体间的剪切 和小尺度拉伸、折叠
接触面积 扩散路径
从动式
——平行迭片
设计理念： 两股流体通过两个入口同时进入一个长的 混合微通道，接触后相互扩散而进行混合 研究最多、最简单、最重要的微混合器：
从动式
——平行迭片
二次流现象：与流体主流方向垂直， 强化混合过程
边界层分离：这种分离能够形成漩涡，使流体层破 裂形成转动方向不同的小漩涡，减少 扩散距离，强化混合过程 微尺度下通道内存在弯曲点、不规则突起或节点时， 使二次流和边界层分离容易发生
“Z”字型微混合器
从动式
——平行迭片
“水力学聚焦”原理微混合器，减小横向扩散路 径
改进 “L”型 流动折叠拓扑结构
旋转型
其它类型微混合器
从动式
——混沌对流
低雷诺数区域（Re<10）： Johnson等首次发现微通道壁 面上的凹槽能够产生混沌对流， 以电力驱动流体流动，在低雷 诺数下就能获得较好的混合效 果： Stroock等研究了两种 不同凹槽结构对混合的 影响，如交错排列的箭 尾形结构
分割－汇合
分割－分割－汇合
从动式
——串联迭片
通过优化微通道结构，使流体层层叠加，He等设计了一种 小体积、小流速的微混合器
K0
从动式
——注射式微混合器
定义： 一相主体流顶部或底部存在一系列喷嘴，而另一种流体通 过这些喷嘴喷射入主体流中形成羽状流，这种羽状流能够 增加两相接触面积和减小混合路径，强化混合过程
contacting
Decrease of diffusion path
High energy collision
（三）微混合器分类
脉冲扰动
电场扰动
主动式 能量种类 磁动力 电动力 超声波 微混合器 有无动力源 热扰动 并行迭片 从动式 作用原理 串联迭片
混沌对流
注射/喷射
从动式微混合器的特点
优点 缺点 混合时间长 混合效果差
主动式微混合器的特点
优点 缺点 不易集成
混合时间短
混合距离短
成本较高
制作困难
可选择性大
适于极低Re数
材质要求高
主动式
脉冲扰动
压力扰动
速度脉冲侧线进料
微搅拌（外加电磁场）
主动式
电场扰动
Moctar等把电极置于微通道内，改变电极两端 电压和频率，使两种不同性质的流体按不同轨 迹运动，在微通道内产生混沌对流，结果发现 在Re=0.02时就能达到较好混合效果
Seminar Ⅱ
微混合器研究进展
学生： 赵玉潮
导师： 袁 权
Байду номын сангаас陈光文
院
士
研究员
微化工技术组
2006/5
主要内容
材质与加工方法
流动特性分析
微混合器分类
混合效果评价方法
（一）材质与加工方法
不锈钢 铝片 硅 石英和玻璃 硬质高分子聚合物 弹性聚合物 光敏聚合物
“T”型微混合器 “Y”型微混合 器 研究微尺度下传递现象的理想设备，如放大（缩小）法则、蝴蝶 效应、以及其它非线性现象 Kockmann 把微通道内层流区域流型分为三种情况：即严格层 流、涡流、席卷流；Wong等发现Re数在400～500，流速达 7.6m/s，流体能够较好混合，压力高达700kPa，给微反应系统 的封装和连接带来了挑战！
时间交叉分段与“水力学聚焦”组合式微混合 器
从动式
——平行迭片
IMM公司的Ehrfeld小组设计了一种交趾式微混和器
从动式
——串联迭片
定义：入口两流体首先水平呈一股流体流动，然后被 垂直分割，再水平汇合，重复此过程，经过m 次汇合和分割后，则会出现2m层薄层流体，能 够使混合时间减小4m-1倍
串联迭片
中等雷诺数区域（10<Re<100）： Liu等报导了一种由“C”型微混合单元串联并 垂直排列而成的三维蛇形微混合器
“T”型入口方式，六个微混合单元，微通道总长度为 20mm。仅在相对高的雷诺数下（Re=25~70），混沌 对流才能够发生
从动式
——混沌对流
中等雷诺数区域（10<Re<100）：
“L”型
主动式
其它能量形式
磁动力：在外加磁场作用下，电极上产生直流 电，使电解质溶液中带电粒子受到罗仑兹力， 并带动流体翻转、折叠，增加接触面积； 超声波：用声波来搅拌微混合器内的流体； 电动力：通过外加电流，改变电渗流速度大小 和方向，产生混沌对流，达到强化混合过程的 目的； 热扰动：改变扩散系数D，如利用热泡产生流 体扰动，以强化混合过程
T 布朗运动的扩散系数：D 6dp
强化混合过程
L
注意：两流体间接触面积，二次流（横向速度）， 外加能量，微通道结构和壁面
微尺度下混合原则
Injection of substream
Periodic injection
Splitting and recombination
Injection into a main stream Forced mass transport
注射式微混合器二维模型
c*
c 2 Q2 /(H )
Miyake等采用DRIE方法在硅片方形混合室内加工了400个喷嘴； Larsen等利用CFD模拟方法研究了喷嘴形状对混合的影响；
从动式
——混沌对流
对混合微通道内部或外部形状进行一定形式的修饰， 原理： 使流体层发生分割、拉长、折叠和破裂等现象，以 强化混合过程
K 0 ( Pe r * / 4) / Pe c ( r , ) exp Pe(r * 1) / 4 K1 ( Pe / 4) K 0 ( Pe / 4) cos
* *
cos
式中，K0，K1分别为第二类变形贝塞耳函数；Pe数 和无量纲浓度c*分别为：
Pe 2UR / D
机械微加工 湿法刻蚀 干法刻蚀 高分辨刻蚀(LIGA) 注塑 原位聚合 热压 气相沉积 软刻蚀
（二）微混合器内流体流动特点
尺度小
（0.01mm~10mm）
2 L Einstein理论： t 4D
Re<2000
层流
扩散！！！
水分子扩散10µ m约需1s 扩散1mm约需1000s 流体性质本身、温度 和一些常数有关 操作和加工难度