基于混沌效应被动式微混合器内多相流动特性及混合机理研究

微流控是一门在微电子、微制作、生物工程和纳米技术等基础上发展起来的科学技术，它利用微流控装置中的微通道对微量液体或样品在微观尺度上进行操纵、处理与控制。微混合器即是在许多领域均具有广阔应用前景的微流控装置，如何提高微混合器的混合性能，实现不同介质高效、快速混合，是微流控研究领域的一个热点问题。本课题拟以基于混沌效应被动式微混合器为研究对象，从数值模拟与实验两个方面对不同控制条件下微混合器内单相双组分、多相多组分流体的流动特性、混合特性与反应特性进行研究，探索被动式微混合装置与预混工质选择的最佳匹配方式，实现微控制与微反应的高效统一。在数值模拟与实验研究的基础上，建立并完善微混合器数学理论模型，提出具有高效混合强度、易于加工的基于混沌效应的被动式微混合器优化设计方案，同时开发一种应用该混合装置实现化工微反应的新型控制方法。丰富多相流学科领域的研究成果，也为多相流与其他学科的交叉融合做出贡献。

微流控装置通常是一种以微通道网络和各种功能单元集成化为特点的微流控芯片，可以实现样品的制备、反应、分离和检测的集成，还可对这些过程进行调控。在微流体系统中，经常涉及到流体的扩散和混合问题，有效地控制扩散和混合可以提高化学分析和生物分析的速度和效率，在乳状液制备、化学合成、医药制备、高通量筛选、生化等方面有很大的应用前景。本项目主要开展了以下研究工作：首先，分析布置窄缝和挡板T型微混合器、非对齐入口式T型通道微混合器、Telsa型微混合器、对称、非对称及错位圆形通道混合器、单缝隙与双缝隙非对称微混合器和带有矩形肋的T型混合器内的强化传质传热混合机理，揭示不同参数对混合效果的影响规律，为后续新型微混合器的设计及流动与混合特性实验研究提供理论基础。分析表明：通过改变局部通道宽度和在微混合器通道内增加障碍物的结构优化方式均可形成混沌对流以促进流体混合。而由于通道结构的变化实现了不同维度涡系间的共同作用，从而强化流体在通道内的扰动达到充分混合。其次，设计加工方便、高效混合的新型平面被动式微混合器，根据优化方法对其几何结构参数进行优化，并进行实验研究。研究发现：布置扇形空腔结构的非对称圆形通道分离重组微混合器混合效果显著；基于成涡结构设计的微混合器在弯曲通道内形成了扩展涡，加大了流体间的扰动；在挡板后侧形成分离涡；在弯曲通道垂直于流体流动方向的截面上出现二次流现象，形成Dean涡。再次，采用微混合/反应器一步制备粒径均匀、稳定分散的单金属银纳米流体。不同粒径纳米流体的导热系数均随着颗粒体积分数的增加而增加。同时，纳米颗粒的粒径大小对纳米流体的导热系数影响较大。随着粒径的减小，纳米颗粒受布朗力的作用更加明显，而流体中颗粒的布朗运动和热扩散效应得以增强。最后，采用纳米流体进行微结构热沉强化换热研究。与纯水相比，使用纳米流体流体作为工质时热沉的传热性能更优，并随雷诺数及体积分数的增大而增大，压降也随之增大；用性能评价图综合分析热沉的传热性能，表明纳米流体的确起到了强化传热的作用。