CN104307413B - T型微混合器 - Google Patents

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一种T型微混合器，包括入口通道、初步混合通道和出口通道，所述入口通道为至少两个，至少两个入口通道分别与初步混合通道的进口连通，所述初步混合通道、出口通道呈直线结构，所述混合器还包括弯曲管道，所述弯曲通道包括周期不对称曲线型弯曲通道，周期不对称曲线型弯曲通道中各段弯曲通道单元前后依次相连，空间排列顺序依次为弯曲面朝下、弯曲面朝右、弯曲面朝上、弯曲面朝左、弯曲面朝下、弯曲面朝右、弯曲面朝上、弯曲面朝左等依次重复，所述弯曲通道中最前一段弯曲通道单元与所述初步混合通道的出口连通，所述弯曲通道中最后一段弯曲通道单元与所述出口通道连通。本发明提供一种提高混合效率的T型微混合器。

Description

T型微混合器
技术领域
本发明涉及微系统领域，尤其是一种微混合器。
背景技术
微全分析系统通过分析设备的微型化和集成化，最大限度地把分析实验室的功能转移到便携的分析设备中，然后集成到微米或纳米级别的芯片上。微流控分析芯片作为微全分析系统的主要研究方向，其目标是把整个化验室的功能，包括采样、稀释、混合、反应、分离、检测等集成在微芯片上，将复杂耗时的分析过程微型化、集成化，可批量制作，集成生产。它在降低贵重生化试剂、样本消耗以及实验分析成本的同时还能降低对分析人员的要求，而且还能成倍的提高分析速度，有助于分析实验室最终迈向“个人化”和“家用化”，因此有广泛的适用性及应用前景。
微混合是反应发生前的必经阶段，但微米级别的结构导致了反应器内部流体的表面积与体积的比值急剧增大，甚至可以达到10000-50000m2·m-3，表面力与粘性力的影响占主导地位，惯性力的作用大大减少，使流体呈现出层流效应、扩散和传热等区别于宏观流体的特殊性质。混合组分间的混合强度高可以提高其反应效率，混合强度低会影响反应的正常发生。在微观条件下，物质组分间的混合主要由组分间的扩散作用完成，实现组分间的高效混合需要较长时间，背离了芯片实验室高效、便利的初衷。微混合器有多种结构形式，其中T形微混合器是一种使两股流体混合均匀的最为简单的方法。两股流体在同一平面上流入混合管道，分离现象严重，混合效果差。
发明内容
为了克服传统的T型微混合器混合效率低的不足，本发明提供一种提高混合效率的T型微混合器。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种T型微混合器，包括入口通道、初步混合通道和出口通道，所述入口通道为至少两个，至少两个入口通道分别与初步混合通道的进口连通，所述初步混合通道、出口通道呈直线结构，所述混合器还包括弯曲管道，所述弯曲通道包括周期不对称曲线型弯曲通道，周期不对称曲线型弯曲通道中各段弯曲通道单元前后依次相连，空间排列顺序依次为弯曲面朝下、弯曲面朝右、弯曲面朝上、弯曲面朝左、弯曲面朝下、弯曲面朝右、弯曲面朝上、弯曲面朝左依次重复，所述弯曲通道中最前一段弯曲通道单元与所述初步混合通道的出口连通，所述弯曲通道中最后一段弯曲通道单元与所述出口通道连通。
进一步，周期不对称曲线型弯曲通道单元的剖面尺寸大小相同。
再进一步，所述弯曲通道为空间不对称平滑曲线通道，光滑平面曲线中心右方相对左方要高，即曲线顶点位于曲线右方。
所述弯曲通道的曲线顶端位于直线型管道中心的下方处。
所述弯曲通道由多周期不对称曲线型弯曲通道单元组成，根据需要，可以是两个周期或三个周期等。
本发明的技术构思为：低雷诺数下，流体的流动为层流，不利于流体组分间的混合。削弱层流的方法主要是依靠扰动，使层流层之间相互掺合。增加流体间接触面积、碰撞、对流、涡流、拉伸折叠都可以强化扩散，改变微混合器的结构和几何形状有助于强化扩散、充分混合。本发明利用这样不对称空间弯曲通道，产生混沌对流，增加了流体混合的接触面积，有效地提高混合强度。
在微观尺度下，流体的康达效应仍起作用，本发明对康达效应的利用体现在当流体通过初步混合通道连通进入第一段弯曲通道时，由康达效应初始直线管道中下方流体流动方向将偏向管道的上方，与原本处在管道上方的流体发生碰撞。碰撞后的两股流体同时流向第2段弯曲面朝右的通道，此时两股流体发生碰撞交错折叠，折叠后的两股流体将流向第3段弯曲面朝上的通道，两股流体继续碰撞交错折叠，随着流向第4段弯曲面朝左的通道，两股流体继续碰撞交错折叠，此为第一个周期。接着，两股流体流向第5段弯曲通道完成第2周期的混合，并依次实现各周期的碰撞混合。两股流体间的不断碰撞交错折叠，产生了混沌对流，增大了流体的接触面积，进而提高了流体的混合强度。
本发明的有益效果主要表现在：初步混合通道处紧密连接第一段朝下的弯曲通道保证了康达效应的发生，使流体两股依附在向下弯曲壁面的背面上，产生粘附效果；当两股流体通过任一两段不同朝向的弯曲通道都会发生碰撞折叠，使流体在空间发生交错折叠以增加对流体的扰动，延长了混合通道的长度，增大了流体间的接触面积；4段空间朝向均不一致的弯曲通道为一个周期，有利于两股流体的交叉碰撞混合；每段弯曲通道弧线的右半边明显高于左半边，保证了两股流体黏附在管道壁面平滑流动。对比发现，在同样条件下，本发明的微混合器混合强度都有明显提高，而且适用范围广，不易发生堵塞，结构简单，易于加工。
附图说明。
图1为回流式微混合器x-y平面结构的示意图。
图2为回流式微混合器三维立体结构的示意图。
图3为雷诺数与混合强度关系曲线的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
参照图1～图3，一种T型微混合器，包括入口通道2、初步混合通道4和出口通道3，所述入口通道2为至少两个，至少两个入口通道2分别与初步混合通道4的进口连通，所述初步混合通道4、出口通道3呈直线结构，所述混合器还包括弯曲管道1，所述弯曲通道1包括周期不对称曲线型弯曲通道，周期不对称曲线型弯曲通道中各段弯曲通道单元前后依次相连，空间排列顺序依次为弯曲面朝下、弯曲面朝右、弯曲面朝上、弯曲面朝左、弯曲面朝下、弯曲面朝右、弯曲面朝上、弯曲面朝左等依次重复，所述弯曲通道中最前一段弯曲通道单元与所述初步混合通道的出口连通，所述弯曲通道中最后一段弯曲通道单元与所述出口通道连通。
进一步，任意周期不对称曲线型弯曲通道单元的剖面尺寸大小相同。
再进一步，所述弯曲通道1为空间不对称平滑曲线通道，光滑平面曲线中心右方相对左方要高，即曲线顶点位于曲线右方。
所述弯曲通道1的曲线顶端位于直线型管道中心的下方处。
所述弯曲通道由多周期不对称曲线型弯曲通道单元组成，根据需要，可以是两个周期或三个周期等。
本实施例中T型微混合器主要由四部分组成，如图1，包括入口通道、初步混合通道、流体混合弯曲通道、和出口通道。其中，入口通道是流体进入微混合器的通道，通常与微阀、微泵相连接，为了加强康达效应，第一段朝下的弯曲通道设计成为左低右高结构。两股流体会流进第一段朝下弯曲通道后会发生碰撞交错折叠，从下方入口流进的流体会依附在朝下弯曲通道的通道壁上向前流动，当流体流经第二段朝右的弯曲通道时，两股流体再次发生碰撞交错折叠，部分流体会依附在朝左弯曲通道的通道内壁向前流动，折叠后的两股流体流经第3段弯曲面朝上的通道时，两股流体继续碰撞交错折叠，部分流体会黏附在朝上弯曲通道的壁面上向前流动，随着流向第4段弯曲面朝左的通道，两股流体继续碰撞交错折叠，部分流体会黏附在朝左的弯曲通道的壁面上继续向前流动，此为第一个周期。接着，两股流体流向第5段弯曲通道完成第2周期的混合。两股流体间的不断碰撞交错折叠，产生混沌对流，增大了流体的接触面积，进而提高了流体的混合效果。混合后的出口通道是经弯曲通道交错折叠混合的流体流出的通道，通过检测这里的流体成分便可测得两股流体的混合效率，它是直线型结构通道。设计中应用康达效应与流体间的交错折叠，增大了流体接触面积，混合效率得到提高，明显优于传统T型微混合器。
入口及初步混合通道均为直通道，保证了两股流体能平滑进入第一段曲面朝下的弯曲通道，从而发生康达效应，两个周期的空间不对称弯曲通道紧密相连，其空间排列顺序依次为弯曲面朝下、弯曲面朝右、弯曲面朝上、弯曲面朝左、弯曲面朝下、弯曲面朝右、弯曲面朝上、弯曲面朝左。所述弯曲通道中最后一段弯曲面朝左的通道即第8段通道与所述出口通道连通。弯曲通道的每段光滑平面曲线中心右方相对左方要高即曲线顶点位于曲线右方。保证了两股流体能黏附在壁面流动。
实例1：利用ANSYSWorkbench软件针对两种不同的流体进行仿真模拟，密度分别为1000kg·m-3、1100kg·m-3，扩散系数均为10-9m2·s-1。混合器的模型为三维，如图2所示，所用的方法是Workbench集成环境下FLUENT的多组分输运，密度和粘度系数随混合的发生而变化，通过观察速度的方向确定两股流体的流向，通过观察混合后出口平面上任一组分的质量分数判断混合状况。
造成微流体不易混合的主要原因是低流速，因此评价一个微混合器合理实用的两个标准：低流速下混合与混合强度高。通过FLUENT仿真低流速下T型微混合器的混合情况证明其可行性。
混合强度是T型微混合器性能的一个重要指标，通常用出口流体组分的浓度或质量分数来表示。不间断的碰撞交错折叠，产生了混沌对流，不但可以在有限的空间内增加混合长度，还会增大流体间的接触面积，对促进混合起到积极的作用。微混合器结构和尺寸以及入口流速等条件对混合强度的大小均有影响。
对给定一组尺寸的微混合器结构进行数值仿真，得到混合强度与雷诺数的大小关系曲线如图3所示。

Claims (5)

1.一种T型微混合器，包括入口通道、初步混合通道和出口通道，所述入口通道为至少两个，至少两个入口通道分别与初步混合通道的进口连通，所述初步混合通道、出口通道呈直线结构，其特征在于：所述混合器还包括弯曲管道，所述弯曲管道包括周期不对称曲线型弯曲通道，周期不对称曲线型弯曲通道中各段弯曲通道单元前后依次相连，空间排列顺序依次为弯曲面朝下、弯曲面朝右、弯曲面朝上、弯曲面朝左、弯曲面朝下、弯曲面朝右、弯曲面朝上、弯曲面朝左，所述周期不对称曲线型弯曲通道中最前一段弯曲通道单元与所述初步混合通道的出口连通，所述周期不对称曲线型弯曲通道中最后一段弯曲通道单元与所述出口通道连通。
2.如权利要求1所述的T型微混合器，其特征在于：不对称曲线型弯曲通道单元的剖面尺寸大小相同。
3.如权利要求1或2所述的T型微混合器，其特征在于：所述周期不对称曲线型弯曲通道为空间不对称平滑曲线通道，光滑平面曲线中心右方相对左方要高，即曲线顶点位于曲线右方。
4.如权利要求1或2所述的T型微混合器，其特征在于：所述周期不对称曲线型弯曲通道的曲线顶端位于直线型管道中心的下方处。
5.如权利要求1或2所述的T型微混合器，其特征在于：所述周期不对称曲线型弯曲通道由多周期不对称曲线型弯曲通道单元组成。
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