CN107649059A - 一种优化的被动式非对称壁面结构微混合器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于微流控芯片领域，具体公开了一种优化的被动式非对称壁面结构微混合器，主要由进口管、第一侧流管道、矩形主流道、第二侧流管道、出口管组成，利用被动式混合器优化的管道结构，使混合器内流体单元产生多扰动和垂直于主流截面的二次流，高效的利用涡流增加流体之间的接触面积，缩短混合时间，提升了混合效率。
Description
技术领域
本发明专利涉及一种优化的被动式非对称壁面结构微混合器，该混合器的混合方式为被动式。
背景技术
具备良好运用前景的微流控芯片正处在高速发展中。由芯片实验室（lab-on-a-chip,LOC）更高的精度与更广泛的运用需求，微流控系统逐渐与生物工程与化学实验相结合以追求更高效的特性运用，比如试剂间的混合分析，化学药剂的反应，物质之间的分离等。作为微流控系统的核心组成部分，一个设计精巧的微混合器芯片能够将两种或者多种试剂集中在微管道中反应分析，混合器的混合关键观点在于延长混合时间和增加混合距离。根据其他学者的一些研究工作，微混合器可以分为以下两种类型：被动式微混合器和主动式微混合器。
主动式微混合器的混合行为是通过加载外部源来扰乱流场分布以达到更好的混合效果，该混合器的组成较为复杂和多样，并且在微尺度下难以被加工至微流控芯片上，即是说主动式微混合器的制造过程会有较大的困难需要克服。相比于主动式微混合器，被动式微混合器的制造条件则相对容易得多，同时，被动式微混合器也具有不俗的试剂混合效率。被动式微混合器通过设计微流道的结构来引导流体发生扰动进而获得理想的试剂混合效果，所以对于微流道结构模型的改进与优化便是研究的重心。相比于主动式混合，在微通道中的被动式混合方式具有一定的优势，原因在于被动式混合的微流道结构不需要外部的能量进行驱动控制。然而，一种独一无二的被动式微流体混合结构需要被设计来加强流体之间的混合效果，就此，我们利用有限元方法建立了一种新型的不对称侧流微通道结构。这种结构使得流体在微流道中流动时，内部的流体单元会在对流和分子扩散的作用下发生混合行为，流体的混合程度可以由混合效率M进行评价。很明显，管道中垂直于管道轴线的速度剖面图可以显著且精确地描述流体混合程度。
发明内容
本发明的目的在于设计了一种优化的被动式非对称壁面结构微混合器，能够高效的完成试剂间的混合。
本发明的技术方案是：一种优化的被动式非对称壁面结构微混合器，包括进口管、第一侧流管道、矩形主流道、第二侧流管道、出口管，其中，第一侧流管道具有位于侧流管尾部的收缩壁面结构，类似地，第二侧流管道具有位于侧流管首部的收缩壁面结构；第一侧流管道、第二侧流管道于矩形主流道中心轴线的两侧呈现非对称分布；整体管道宽度W为100μm；第一侧流管道的半圆形管道的外壁半径R为100μm，半圆形管道的内壁半径r为50μm，且位于侧流管尾部的收缩壁面结构的最细管径宽度w1为30μm；相同地，第二侧流管道与第一侧流管道结构尺寸相等。
本发明的收益在于：优化设计一种巧妙的被动式微混合器微通道结构巧妙结合起来，进而得出一种新型的微混合器。随着流体流入不对称的侧流结构，因为其在出口处所具有的独特壁面结构使微管道截面积减小，就像收敛的缩口结构一样，流体运动被加速，随后进入直管道，在二次流的作用下加速流体之间的混合。这种侧流结构阵列不对称地分布在直管道上，我们通过大量的数值仿真综合地分析了微混合器对流体的速度场、压力分布及浓度分配所带来的各方面影响。这些基于流体动力学的计算结果已经被证实其在流体运动中的定性分析和定量计算中有着较高的可信度，而且这种不对称微混合器有所创新并且在混合效率上有着良好的表现。
所设计的新型主动式微混合器结构为单层结构，通过一次光刻就可以制造模具，和传统的多层结构相比具有结构简单、便于大规模生产配置组装、成本较低的特点，并且相比于其他微流体混合器具有更优化的单层结构，所适用的雷诺数范围广，能够使流体之间完成较快、效率更高的混合，受到实验环境干扰影响小，具备更加广阔的应用空间。
附图说明
图1是微混合器平面结构单元图。
图2是微混合器的三维结构示意图。
图3是Re=1下的微混合器内流线与截面速度分布图；其中，截面速度大小由颜色棒给出，单位m/s。
图4是Re=50下的微混合器内流线与截面速度分布图。其中，截面速度大小由颜色棒给出，单位m/s。
图5是Re=100下的微混合器内流线与截面速度分布图。其中，截面速度大小由颜色棒给出，单位m/s。
图6是微混合器横向截面的在不同雷诺数下的浓度分配图。
图7是微混合器的混合效率图，其中，0代表流体间没有混合，1代表流体完全混合。
具体实施方式
本发明研究设计了一种优化的被动式非对称壁面结构微混合器，该微混合器采用PDMS为材料，经过光刻、显影等工艺步骤制得SU8模具；然后将与固化剂混合过的PDMS材料涂于模具上，经过加热固化后脱模制得PDMS阴模；再将与固化剂混合过的PDMS材料涂于PC片上，再加热固化后脱模制得PDMS平板；PDMS阴模与平板键合所得微结构即可得到所述被动式非对称壁面结构微混合器。
使用开源有限元软件建立被动式非对称壁面结构微混合器模型，通过数值计算，进一步证实了该混合器对试剂混合的高效性能。
在微混合器中，两种流体同时从入口处流入，在初始的一段直管道中这两种流体并行流动，随后进入新型的侧流结构，如图所示，在侧流结构中，在侧流结构弯道外壁面的作用下，流体由于受到弯管外壁面的约束，外壁面迫使流体运动发生转向，产生了离心力，进一步形成了弯管内、外壁面之间的沿着径向的梯度压力场。在具备收缩壁面的特殊半圆形侧流结构下，弯管道内的流体会被加速，接着从侧流结构流出的流体继续沿着垂直于管道轴线的方向流动。这时流体流动的区别就体现出来了，具有侧流壁面的微通道中的流体速度要高于普通的弯道中的流体速度，这时因为独特的壁面侧流结构导致的，同时，不对称的壁面管道结构分布在直管道的两边，使得流体的流动具有不均匀性，从而引起了流场的非均匀变化，进一步地使得试剂之间发生扰动。接着从侧流结构流出的流体继续沿着垂直于管道轴线的方向流动，当其遇到管道壁面时，边界的流体流动因为受到了壁面横向压力的作用，分别沿着两侧的壁面向内流动，如图所示，如此反复便形成了对称分布的二次流涡旋。当流体进入下一段直管道后，二次流的涡旋中心先是向着中心线靠近，随后回到两侧的中心位置，最后在直管道的整流作用下，随着二次流涡流的消失而消失，如图所示。整个运动过程中的流体在侧流结构的作用下具备了惯性效应，使得流动流体的内部形成了涡流，进一步改变了流体的分配情况。
所以我们选取了三个典型的雷诺数（Re=1,50,100）下的混合结果展示在图3-图5中。在低雷诺数下的试剂之间的混合主要是依靠分子之间的扩散作用。当雷诺数足够低时，随着雷诺数在一定范围内逐渐增加，分子之间的扩散强度会变得更加微弱，所以微混合器混合的效率也随之下降。但是当一些混合器的结构被改变和优化时，微混合器的混合表现也会发生不同程度的变化。
正如图3中所看到微管道内的流线一样，层流是在Re=0.1管道内流体的流动状态，低雷诺数下的混合表现由流体在管道内的滞留时间有关，流动过程中有极其微弱的二次流产生。
如图4，随着雷诺数增大，结构优化所带来的优势性逐渐体现了出来。当雷诺数增大到50时，由于侧流壁面的不对称性，新型壁面侧流结构的微混合器的垂直于管道中心轴线的速度剖面图产生了特殊的变化，这种新型管道的速度剖面图中上下两幅图的Dean涡明显不一致，与位于下方的图中的“椭圆形”涡流相比，位于上方的图中的Dean涡更加接近一个标准的圆形，这是由于流体经过壁面缩口通道后流速被提升的结果，流速被提升后流体中所形成的对称涡流更完整且显著，并且涡流的中心点更加靠近，总体来说，不同速度剖面下的涡旋强度大，使得流场受到了极大的扰动，加速了试剂之间的混合效果。
如图5所示，当雷诺数增大到100时，管道中产生了更大速度的涡旋，流道中流体的整体流速也提升明显，随着速度的增大，涡旋的中心开始向上下边界的管道壁靠近原因在于增大的雷诺数，同时在新型的微混合器中仍保留了较为完整的圆形的涡旋，这就说明随着流体流速的提升，Dean涡的强度也在随之提升，即收缩的壁面结构促进了高流速下Dean涡的形成强度，进一步提升混合器的混合效率。相比于位于上方的图片，位于下方的速度剖面中，由于雷诺数增加的关系，导致流体的惯性效应增强，使得单位时间内更多的流体沿着管道中轴线的方向流动，于是流体速度在X-Y平面内的分量大小有所降低，这是因为选取的切平面不同导致的。
如图6所示，为了更加直观地展示出两种不同混合器结构在不同雷诺数下的混合表现差异，我们选择了一个平行于X-Y方向的截断面，这个截面位于Z方向下管道深度一半的位置，颜色棒代表了微混合器中的浓度分配情况。从图中我们可以看出，随着雷诺数逐渐增加，混合效果也逐渐增加，这是因为对流效应逐渐占据了主导地位，在逐渐增强的二次流的作用下试剂之间的混合表现也有所提升。当雷诺数由10开始逐渐增加的时候，改进的侧流壁面结构所带来的流体加速效应不容小觑，以促使流体间的对流作用得到加强，所带来的混合表现更优，同时达到相同混合等级时流体混合所需的长度变短了，这一点正是证实了增强的二次流所带来的更高效的混合效应。
图7是出口截面处的混合效率图。当雷诺数较低时，混合主要依靠流体中的分子扩散，随着雷诺数的增加，优化的被动式非对称壁面结构对流体间的对流作用逐渐呈现促进的上升趋势，这进一步加速了流体混合。雷诺数逐渐增大，混合的结果也在不断地趋于理想值1（代表100%混合）。所设计的被动式非对称壁面结构微混合器，值得注意的是，该混合器并没有外加任何的主动驱动方式，即是没有任何的外部能量源，这对于混合的成本和试剂的混合环境的要求都有所降低，其带来的运用领域和运作环境是更广泛的，同时通过非对称结构混合室结构的巧妙设计，进一步加强待混合流体的对流效应，在降低成本的同时保证了一定的混合效率，这也吻合了生物化学等领域的迫切需要，在微尺度下实现了流体的可控性。
Claims (2)
1.一种优化的被动式非对称壁面结构微混合器，包括进口管（1）、第一侧流管道（2）、矩形主流道（4）、第二侧流管道（6）、出口管（7），其中，第一侧流管道（2）具有位于侧流管尾部的收缩壁面结构（3），类似地，第二侧流管道（6）具有位于侧流管首部的收缩壁面结构（5）；第一侧流管道（2）、第二侧流管道（6）于矩形主流道（4）中心轴线的两侧呈现非对称分布。
2.根据权利要求书1所述的优化的被动式非对称壁面结构微混合器，其特征在于，整体管道宽度W为100μm；第一侧流管道（2）的半圆形管道的外壁半径R为100μm，半圆形管道的内壁半径r为50μm，且位于侧流管尾部的收缩壁面结构（3）的最细管径宽度w1为30μm；相同地，第二侧流管道（6）与第一侧流管道（2）结构尺寸相等。
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