微通道中流体特性模型之混合强化

微通道中流体特性模型之混合强化
尤琳，山东豪迈化工技术有限公司
摘 要：本文以微通道内的混合为例，辅以有限元软件进行流场模拟，分析通过改善微通道结构带来的混合强化效果。

微通道内设置阻块或者改变微通道结构形式可以改变混合效果，通过优化微通道结构，可以达到混合强化的效果。

引言
微化工系统是一个比较宽泛的概念，包括微换热、微混合、微分离、微分析以及微反应等多种系统，其共同特点是“三传一反”的过程都发生在微米甚至纳米级的空间内。

按照机械习惯对尺度上的划分：1～10mm为微小级（mini），1um～1mm为微米级（micro），1nm～1um为纳米级（nano）。

从化学工程的角度，微化工系统的特征尺度应为“三传一反”过程发生明显变化的临界尺度，即宏观条件下的传递和反应过程具有明显区别的微观尺度。

但微化工系统开展研究的时间还较短，不同研究者对于微化工设备定义的目标尺度，将微化工系统定义为：利用微加工技术制造，特征尺度在1um～1mm之间，用于换热、混合、分离、分析、化学反应等过程的三维结构元件和高度集成系统。

通常而言，微化工技术包括微反应器、微混合器、微阀、微泵、微热交换器等一系列微系统，微混合器是其中重要的一方面。

微混合器大多是通过微通道结构实现的。

与常规尺度下的混合器比较，由于微通道小而精密的结构特征，具有较高的传热、传质、混合和反应速率，并且安全、占地面积小、甚至是便于携带，目前越来越多的学者致力于微通道混合器的研究与应用工作。

微混合器大多数并不是以单器件存在，而是集成于微流控系统中，因此理想的微混合器应具有如下特点：（1）混合效率高，停留时间短，能耗低；（2）设备结构简单，无放大效应，易于集成；（3）操作条件易于控制，化学反应、传质及传热性能好；（4）设备体积小，内在安全性能好。

微混合器可以用作生物化学分析仪器的微传感器以及用于生物芯片和微量化学分析与检测系统中的不同检体、不同试剂之间的混合；还用于药物的快速混合和微量注射；在第二代能源系统中的微燃烧器和微燃气透平等方面，微混合器也有广阔的应用前景；还可以用于传统的化学工程以及生物化学的反应工程，替代现有的反应器，从而提高反应速度，减少设备体积和降低成本；在lab-on-a-chip平台中对于复杂的化学反应，均匀而快速的混合是必要的；此外，微混合
器的研究也是微尺度下理解传递现象的基础。

图1微通道结构举例
1微混合器介绍
早期微流体混合的研究主要是基于单相流操作条件下进行的。

单相流操作条件下，主要通过对微混合器的结构做特定设计，或者通过加入外在能量促使微混合器内流体的混合。

根据有无外在的能量或动力，微混合器分为被动微混合器（passive micro-mixer）和主动微混合器（active micro-mixer）。

1.1静态微混合器
被动微混合器又称为静态混合器（static micro-mixer），是通过流体的被动流动实现混合的，在为混合器系统内除了驱动流体流动的动力，不需要外加的动力，混合器内不含有可移动部件，混合过程完全依赖对流和扩散作用。

1.2主动微混合器
主动微混合器利用外来作用力产生的扰动作用促进混合，因此可以依据外加
作用力的类型进行分类，包括压力扰动式、电压式、介电泳式、动电式、磁致液动力式、超声波式、热致式等。

由于主动式混合器需要驱动源、外加扰动装置以及相应的集成部件，所以主动式混合器的结构通常都非常复杂，且需要复杂的加工过程。

同时，将主动混合器集成于微流控系统中也很复杂且昂贵。

被动式混合器处理驱动流体的装置外，不需要其他的外加动力，因此被动混合器相对主动混合器，更为稳定，易于集成。

本文主要研究静态混合器。

2微通道结构的传质特性
微通道结构具有高效快速传质的特点。

由于扩散路径的减小，微化工系统具有优良的传质性能和流动区域内均一的浓度分布。

对整个系统而言，反应物浓度的精确控制是实现高选择性化学反应和避免有害反应操作的前提条件。

此外，通过快读混合克服传质阻力，可以设法得到受传质控制的化学反应的本征动力学方程，并且可以得到较宏观设备更高的收率和选择性。

然而，对于大多数液相反应，尽管微通道的特征尺度达到100um甚至更小，快速混合仍然是很困难的，这是由于液相系统中较小的扩散系数造成的。

3液体流动方程
对于不可压缩流体，Navier-Stokes方程可简化为：
当微通道中的流体粘度较大或以低速流动时，Reynolds数较小，流体近似为平推流，上式可进一步简化为：
Pfahler等学者测定了深度从0.5~50um的微通道内的压降，并指出其随流体粘度减小而下降。

Peng等学者研究了当量直径在133~367um矩形微通道内的液体流动，他们发现，与宏观设备相比，微通道内的流体在较低Reynolds数下即发生层流—湍流的流型转变；而且随着微通道截面形状的变化，摩擦系数也会随之发生变化。

4应用有限元软件模拟结构变化对微通道混合效果的影响
对微混合器结构进行特定设计及在微通道设置阻块是增强微混合器中流体混合效果的有效方式。

本位对分别对设置阻块和对设计特定结构两种强化混合效果的方式进行举例。

对于设置阻块的强化方式，以在T型混合通道中设置V形缺口举例，其中V形缺口分两种，一种V形缺口高度方向的尺寸未超过通道宽度的一半，另一种V形缺口高度方向的尺寸超过通道宽度的一半。

对于通过特殊设计结构形式以产生强化混合效果的方式，特别设计了S性和矩形两种结构形式，以说明结构形式的改变对微通道流体混合效果的影响。

设流质为流体，可以看成是不可压缩流体，并且只考虑微通道在压力作用下的流动，因此忽略体积力。

采用流体力学软件包Fluent模拟流体混合过程，网格划分示意图如图2。

设置相关物性参数和边界条件等输入条件，得到下图3和图
4的模拟结果。

图2网格划分示意图
图3设置阻块对混合效果的影响
图4改变结构形式对混合效果的影响
通过模拟结果可以看出，在微通道上设置阻块可以有效改变微通道内液体的混合效果，而且，阻块的尺寸变化也会引起混合效果强化程度的不同。

阻块的设置是微通道混合器内流场受到周期性扰动，产生较大径向速度，进而使流体侧向线拉伸。

有研究表明，流体径向线拉伸与混合器通道长度呈指数增长关系，可在通道内引发混沌流。

微混合器通道内阻块的数量、大小、排列的改变也可以增大混沌流，对流体的混合程度均有一定的强化作用。

除了设置阻块外，微通道结构形式的特殊设计也会带来好的液体强化效果。

微通道内，由于其拐弯处使液滴内对称的内循环流动转变为不对称，从而混合组分之间产生流线交叉，也可以促进
流体混合。

有分析液滴流过弯通道拐弯处时混合组分界面变化的研究表明：在U 形弯道的180°半圆处和矩形弯道的90°拐弯处，流体界面将产生拉伸和折叠作用，并伴随拐弯处出现周期性的拉伸和折叠，出现混沌对流现象，液滴内流体在混沌对流作用下，将达到完全混合，是强化混合过程的根本原因。

微通道混合器的流体模拟以及相关研究表明，可以通过设置阻块、设置合理的通道结构形式以加强混合效果。

在实际问题中，还需要结合具体的流动介质，选择合适的微通道混合形式或者设置合理的阻块以获得更好的强化混合效果。

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