1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春3003
2 中国科学院大学，北京100190
为了在雷诺数条件不定的小尺寸的芯片内部集成高效的混合功能，根据菲克定律和布朗运动的爱因斯坦关系式提出了一种通过匹配接触面提高浓度差的策略来设计微混合器，对科恩达效应进行了扩展，分析了流体在通道表面的流动方向，从特定微通道模块中抽象出4种具体功能。通过模块的功能来预测和调控浓度梯度并构建微混合器。使用4种功能模块来旋转并匹配流体界面，设计了两种三维结构的被动式微混合器。采用三维Navier-Stokes方程组进行了数值分析，并通过软光刻工艺制作微混合器进行了实验验证。实验和仿真结果表明，在雷诺数为0.1~100内，设计的微混合器在3.3 mm，即22倍水力直径长度处能稳定提供94%~99%的混合效率，在等水力直径条件下具有明显的优势，而且结构易于在芯片上集成，证明了模块化设计的优越性。
微流控 微混合器 分裂合并 旋转效应 片上实验室 microfluidics micromixer split and recombination rotation effect lab on a chip 光学 精密工程
2023, 31(19): 2850
1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春30033
2 中国科学院大学，北京100049
电渗是当前芯片实验室设备中微流体常用的驱动方式之一，其中电极版图对控制电渗驱动的外电场起到关键作用。针对电渗流电极版图大多基于尺寸优化和形状优化的方法难以大幅提升微流控器件性能的问题，建立电渗流电极拓扑优化模型，采用滤波方程和阈值投影控制电极结构的特征尺寸，通过连续伴随分析方法获得模型的伴随敏度，进而演化电极版图的结构设计变量，最终实现电渗流电极的拓扑优化。基于上述拓扑优化方法设计电渗流微混合器的电极版图，并对影响微混合器混合效果的因素进行分析。结果表明，电渗流微混合器的混合评价指数达到0.047，能够实现两种不同浓度溶液的完全混合。微混合器良好的混合性能验证了本文提出电渗流电极拓扑优化方法的有效性。
微流体 拓扑优化 电渗 微混合器 电极 microfludics topology optimization electroosmosis micromixer electrodes 光学 精密工程
2023, 31(17): 2515
青岛农业大学 机电工程学院, 山东 青岛 266109
针对生物、化学、医学、航空等领域混合输送微流体、微流体介质的需要, 提出了集流体混合、泵送为一体的复合阻流体无阀泵, 并借助复合阻流体致涡实现涡致混合功能。基于流体绕流原理对绕流阻力进行了全新诠释和表达; 并利用“尾流空间压强比较法”和“流体单元动量分析法”进行了绕流复合阻流体的阻力分析, 揭示了复合阻流体致阀及其本质性成因; 改变传统无阀泵的结构, 通过引入分流环和复合阻流体, 减少泵回流量的同时实现了涡致混合的功能。制作了泵样机, 在驱动频率为11 Hz、电压为180 V条件下进行了泵流量试验和流体混合试验, 其瞬时流量达到53.7 mL/min; 同时, 借助流体涡的运动较好地混合了流体, 试验验证了新型泵具有混合及泵送流体的功能。新型泵的提出创新和丰富了无阀泵的结构和功能, 为无阀泵应用于微流体混合传输领域奠定了基础。
无阀 压电泵 阻流体 绕流阻力 微混合器 valve-less piezoelectric pump bluff body floe resistance micro mixer 光学 精密工程
2019, 27(12): 2639
浙江工业大学 特种装备制造与先进加工技术教育部重点实验室, 浙江 杭州 310014
提高微混合器雷诺数的适用范围和混合强度是微混合器设计的发展趋势。本文基于非对称分离重组混合原理设计、制作了一种3D-不对称菱形被动式微混合器, 并借助数值分析方法和可视化实验对混合强度和混合状态的变化进行了研究。研究发现: 在低Re(0.01~10)范围内, 两组分间的混合以扩散混合为主, 随着Re的增加, 流速对混合强度的影响有一定下降; 在较高Re(10~200)范围内, 受流速增加的影响, 流体间不平衡微流惯性碰撞逐渐成为影响混合的主要因素。此时, 混合强度随流速的增加逐渐增强并趋于平稳。对Re在0.01~200内的微混合器展开研究, 分析了宽缝比Ws/S、分合角θ、宽厚比H/S等结构尺寸对混合强度的影响。通过综合考虑流体混合强度和通道压降的变化情况, 确定最佳通道结构尺寸为Ws/S=0.2、θ=45°、H/S=0.5, 此时微混合器的混合强度可维持在78%以上。与传统平面对称分合式混合器相比, 设计制作的3D-不对称菱形被动式微混合器混合强度有较大的提高, 验证了本文设计结构的有效性。
微混合器 微通道 3D-菱形 非对称分离重组 数值模拟 micro-mixer micro-passage 3D-rhombus asymmetrical separation and mixing numerical simulation
江苏大学 能源与动力工程学院，江苏 镇江 212013
设计了一种流道内布置周期挡板结构的高效T-型微混合器来提高微流控系统的混合效率。该微混合器结构简单，周期布置的挡板可以有效地缩短流体混合所需的流道长度和时间，混合效率高。安排了正交实验组，利用计算流体力学软件ANSYS CFX研究了流道结构参数对混合效果的影响。采用静态田口分析法对数值模拟结果进行分析。结果表明: 流道结构参数对混合效果的相对影响程度排列如下: 挡板攻角(θ)>流道高度(H)>挡板宽度(L)>相邻混合单元之间距离(D)。根据结构参数对混合效果的影响程度，得出研究参数范围内的最优组合为: θ=75°, H=0.4Wm, L=0.7Wm, D=0.6Wm(这里Wm为流道宽度，等于200 μm)。实验显示，结构参数符合最优参数组合的微混合器的混合效果提升显著，雷诺数Re=54时即可实现完全混合(混合指标M>95%)。文中研究了流道结构对进出口压降的影响，结果显示，攻角θ对进出口压降的影响趋势在不同雷诺数下相同，参数H,D亦如此。
微流控 微混合器 田口方法 微混合 混合效率 正交试验设计 microfluidics micromixer Taguchi method micromixing mixing efficiency orthogonal experiment design 光学 精密工程
2015, 23(10): 2877
1 华南师范大学激光生命科学研究所教育部重点实验室, 广东 广州 510631
2 华南师范大学信息光电子科技学院, 广东 广州 510006
3 广州计量检测技术研究院, 广东 广州 510663
4 广州大学实验中心, 广东 广州 510006
5 华南师范大学先进光电子研究院光及电磁波中心, 广东 广州 510006
空化效应是发生在液体内部的一种极其复杂的流体物理现象, 能产生极高的中心能量密度, 并伴随发光、发热、冲击波、高速射流等极端物理现象, 它的存在能使一些极端的反应得以实现。空化效应发生时形成的空化微流体在破坏细胞形貌、微操控、微混合等方面有广泛地应用。本文综述了空化微流体及其产生的强烈冲击波在生物医学方面的应用, 包含空化微流体在破坏细胞形貌、微小元件的操控以及加快液体混合等三个方面。
空化微流 细胞形貌 微操控 微混合 cavitational microfluidic cell morphology micromanipulation micro mixing
1 南京航空航天大学 机械结构力学及控制国家重点实验室, 江苏 南京 210016
2 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
针对目前微流体混合器多需要外接动力源, 且多数微混合器只能进行液体混合而不能输送液体的问题, 提出将无阀压电泵引入微混合器领域, 并研制了一种集混合与输送于一体的多级“Y”型流管无阀压电泵。首先, 提出了多级“Y”型流管, 进而设计了多级“Y”型流管无阀压电泵, 并分析其工作原理; 然后, 对该无阀压电泵的流管流阻特性及泵流量进行理论分析; 同时, 利用有限元软件对多级“Y”型流管无阀压电泵进行了流场模拟, 结果表明该压电泵具有单向传输作用。最后, 制作了多级“Y”型流管无阀压电泵样机, 并进行了泵流量与背压试验。试验结果显示: 驱动电压峰峰值为100 V, 频率为16 Hz时, 流量达到最大, 为16.2 ml/min; 驱动电压峰峰值为100 V, 频率为14 Hz时, 输出背压最大, 约为64 mm水柱。得到的试验数据证明了多级“Y”型流管无阀压电泵的有效性。
多级“Y”型流管 压电泵 无阀泵 微混合器 multistage Y-shape tubes piezoelectric pump valveless pump micro mixer
1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所 应用光学国家重点实验室，吉林 长春130033
2 中国科学院 苏州生物医学工程技术研究所，江苏 苏州 215163
3 中国科学院 研究生院，北京 100039
为了实现微量液体的快速均匀混合，设计了一种PDMS双层结构的新型微混合器。研究了混合器的制作方法以及几何尺寸和Re数对混合的影响。依据Fick第一定律介绍了主辅通道型微混合器的设计原理；采用有限元方法对不同几何尺寸及Re数下混合器中液体的速度流场及浓度场进行了数值模拟；数值分析显示，随着主辅通道出口宽度比的减小，通道长度的增加和雷诺数的减小，混合器的混合率增加。最后，依据仿真结果制作了主辅通道深度比为0.71，出口宽度比为1，通道长度为9 mm的微混合器并进行了去离子水和红墨水的混合实验。实验结果表明：当Re<5时，设计的混合器能实现液体的快速混合，并且混合率随着Re的减小而增大，基本满足低Re数下微量液体快速均匀混合的要求。
微通道 微混合器 浓度梯度 扩散 micro channel micromixer concentration gradient diffusion PDMS Polydimethylsiloxanes(PDMS)
