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微混合器挡板结构对混沌对流与混合强化的作用

作者:原创论文网 时间:2017-06-29 13:48 加入收藏
  
  微流控系统被广泛应用于化学合成、生化分析和临床测试等领域[1-2],而微混合器作为其重要组成,是保证流体快速混合的关键。然而,微小尺度下,混合主要依靠分子扩散实现,效率极低,因此大量研究立足于提高对流作用来强化混合。根据是否外加驱动力,微混合器被分为主动式和被动式两类[3-4].与主动式微混合器相比,被动式微混合器不需要额外动力设备,只需要改变通道几何结构,以干扰流动来强化混合,易于加工,使用方便。
  
  在微通道内放置障碍、壁面设置挡板或沟槽都是产生混沌对流的有效方法,适用于较低雷诺数下(Re=1~90)的混合强化。STROOCK等[5]实验证明,通道底部设置鱼骨脊的微混合器能够在很低雷诺数下产生混沌对流。KIM等[6]除了在通道底部设置沟槽外,在顶部布置长障碍也得到明显的对流效果。NICOLS等[7]设计了单侧布置锯齿状挡板的结构得到显着的混合效果。相似的方法有设置柱状障碍[8]、三角形挡板[9]、肋骨状挡板[10]、半圆柱槽[11]等。为了进一步强化混合,还可将这些结构结合至弯曲通道中[12-13].结构设计工作可方便快速地通过流体力学数值计算来实现,而数值计算在此领域应用的正确性与可行性已被广泛验证[11,14-15].
  
  内置障碍、挡板或沟槽的设计方案混合效果显着,且结构越复杂效果越明显。但复杂结构会带来加工的困难,产生更大的能耗,对实际应用带来挑战。因此,本文以简单的挡板形式,微小改变结构,以最大程度提高微混合器的综合性能。将矩形、斜面梯形和曲面梯形3种尺寸相近的挡板结构设置于T型通道内,利用流体力学研究挡板结构对混沌对流与混合强化的作用。
  
  1物理模型
  
  微混合器结构如图1所示。其T形入口平面尺寸:a=100μm,b=600μm,c=200μm,直通道长l=2mm.截面为矩形:w=200μm,h=100μm.直通道分别内置矩形、斜面梯形和曲面梯形3种简单档板结构。错开T型头距离ls=36μm后,周期双侧布置错排的挡板,5个周期共10个挡板,总长lm=1.5mm.挡板结构尺寸:m=150μm,e=65μm,e1=30μm,e2=99μm,r=310μm,两档板间距n=150μm.矩形挡板直接阻挡来流作用明显,产生较强的混合效果,但必然产生更大能耗。改变挡板结构的目的是平衡混合效果与能耗。
  2数值模拟
  
  2.1模拟方法
  
  对微混合器内的流动和混合进行数值模拟,认为该问题为稳态、不可压缩、黏性、层流流动,建立质量、动量及质量变化守恒方程:
 
  式中:u为速度矢量;ρ为混合物密度;p为压力;μ为混合物的动力黏度;c为溶质的浓度;D为扩散系数。利用计算流体动力学软件ANSYSCFX,采用有限体积法求解。SIMPLEC算法耦合压力和速度,空间离散采用高阶离散方法,迭代精度要求残差低于10-6.
  
  流动混合介质选择乙醇和水,密度分别为789、997kg/m3,动力黏度分别为1.2、0.9g/(m·s),混合介质物性参数由线性插值得到。混合组分间分子扩散系数D取103μm2/s.流动边界条件、平均速度入口、两入口等速度,具体数值由雷诺数决定,即
  
  
  式中:ρ为两介质平均密度;u为入口速度;μ为两介质平均动力黏度。零相对压力出口,无滑移壁面。对流扩散边界条件,两入口分别为纯乙醇与纯水,即乙醇质量分数分别为0和1.
  
  2.2混合原理与性能评价方法
  
  层流状态下的混合仅依靠接触面上的分子扩散,当流体受不同形状挡板的阻碍,形成不同程度的涡流;挡板顶部缩小的流通面积使流体被挤压而加速,过流后产生扩展涡;错排挡板在两侧反复产生相似扰动,极大地强化涡流,增加两流体接触面积,进而提高混合效果。为定量分析混合效果,借用混合强度M评价和对比,即
  
  
  混合强度M越大,即混合效率越高,表明混合性能越好。M=1为完全混合,M=0为无混合。式中:σ为垂直于流动方向的截面上混合物中一组分浓度的方差,定义式如下:
  
  
  式中:N为该截面上的节点数;ci为该截面上第i个节点的一组分的浓度值;cm为当混合完全时该截面上该组分的平均浓度;σmax为流动入口处的最大方差,流动入口处被定义在长度为l的直通道始端截面。混合效率的提高是以低压降为前提,因此压降是必要的考察因素,定义压力损失为入口截面与指定截面的压力差。混合强度与压力损失的综合评价方可衡量微混合器的真实性能。
  
  2.3网格无关性验证
  
  几何模型以四面体网格单元组成,网格质量直接影响计算精度,因此在计算前先检验网格无关性。以内置曲面梯形挡板的微混合器(雷诺数Re=50)为例,网格单元数分别为0.366×106、0.814×106、1.455×106、1.763×106、2.273×106和3.579×106.以6种网格数所对应的混合强度作图,如图2所示。由图可见,网格数2.273×106与3.579×106所对应的混合强度非常接近。与网格数3.579×106产生的混合强度相比,前5种网格数产生的结果差异分别为3.52%、2.61%、2.14%、1.66%及0.05%.考虑节约计算时间,选用划分2.273×106个网格单元的计算模型为该工况对象,其他工况均采用相同方法处理。
  3结果与讨论
  
  3.1流动分析与混合效果
  
  图3所示为通道几何结构对流场的影响。不同挡板对流场产生了相似的扰动,流线在进入挡板顶部窄通道时,由于通流面积的突然减小,流动加速;过流后,通流面积突然扩大,流动减速并产生扩展涡流。由于离心力的作用,内侧流体加速,外侧流体减速,流场受到扰动,主流明显压迫挡板前端面。几何结构转角越剧烈,涡流强度越显着。
  
  由图3(a)可见,流线出现明显交错,是由于实际流动为三维,受通道高度方向上的两壁面黏性作用,壁面流动较稳定,与受强烈振荡的通道中心主流相脱离,经10个矩形挡板的交替作用,流动受到严重扰动;而图3(b)中流线较平稳,一方面挡板顶部窄通道较短,流动短时间受限未得到足够的发展空间,另一方面挡板前后的缩流区与扩流区是带斜坡的渐变结构,流动相对缓和。而图3(c)与图3(a)、(b)几何结构相似,对流同样具有相当的干扰作用。上文分析离心力作用导致主流振荡且压迫挡板前端面,对比图3(b)与(c)的梯形结构可知:从扩流角度看,曲面比斜面更能缓和来流的压迫力,使得流动顺势发展,但从缩流角度看,曲面比斜面的渐变更突兀,流动受扰更剧烈。在最后一个挡板前的流线可见,结构对缩流的影响更甚于对扩流。由流动分析可知,矩形挡板强化混合作用最显着,而曲面梯形挡板比斜面的强化作用略强。
  3.2不同截面处的混合强度比较
  
  图4所示为内置3种挡板的微混合器在不同雷诺数下混合强度沿通道长度方向的变化。总体上,不同雷诺数下3种微混合器的混合强度均随着长度方向越来越大,意味着混合稳定发展。矩形挡板的强化效果优于梯形挡板,尤其在低雷诺数下(Re=5,10)越加明显。当Re=10时,2种梯形挡板已在x=0.36mm处产生了对流作用,使得混合强度以较大的梯度升高且超越矩形挡板,但随后发展并不迅速,在微混合器出口仍表现出矩形挡板效果最佳。当雷诺数超过20后,曲线前段梯度越来越大,仅流经第一周期的2个挡板(x=0.36mm),混合已被快速加强。这表明,随着雷诺数的提高,挡板作用越发明显,其根本原因是,较高雷诺数下,对流作用加剧,直接影响混合效果。比较矩形挡板与2种梯形挡板在不同雷诺数下的混合强度发展曲线,发现矩形挡板产生对流作用晚于梯形挡板,但随着停留时间的增长,矩形挡板强化作用越加明显。比较2种梯形挡板的效果,两者具有较强竞争,雷诺数较小时(Re=5,10,20),随着流动发展,曲面梯形的混合强度大于斜面梯形,且差距不断拉开,至通道中段达到最大,随后斜面梯形的混合强度提高更快,逐步逼近甚至在出口处超过曲面梯形。雷诺数为50时,斜面梯形的混合强度在经第2周期(x=0.66mm)后便超越了曲面梯形,由此说明上节所述的缩流扩流的协同作用复杂。
  图5所示为Re=10时内置3种挡板的微混合器沿通道长度的不同截面处的浓度云图。首先在第1个截面处,矩形挡板的乙醇/水界面扭曲最厉害但比例相当,流动被干扰,但并未明显影响混合,而曲面梯形虽然界面扭曲较弱但乙醇比例明显大,意味着流动对浓度场的扰动更剧烈,故在图4(b)中x=0.36mm处混合强度略高于斜面梯形挡板,但这只是局部作用。乙醇/水界面扭曲一直在内置矩形挡板的微混合器内表现最为剧烈,因此随流动的发展,矩形挡板保持对流动的强劲拖曳力,浓度分布均匀化迅速;而2种梯形挡板对流动拖曳作用相当,混合效果差距越来越小。因此,矩形挡板作用下的混合程度最均匀,而斜面与曲面梯形相当。
  3.3综合性能分析---混合强度与压力损失
  
  将内置不同挡板的3种微混合器出口处的混合强度作为总体混合效果的定量参数,考察其随雷诺数的变化,如图6所示。低雷诺数段(Re=1~5),混合强度随雷诺数增大而减小。这是由于此阶段分子扩散占主导,较大的雷诺数实质减小了停留时间,从而导致混合效果下降。雷诺数超过5后,各微混合器的效果明显提高,混合强度随着雷诺数的升高而剧烈增大。当雷诺数达50后,三者的混合强度均已超过0.95,非常接近完全混合,因此更大雷诺数下混合强化作用并不明显。由所研究的雷诺数段(Re=1~90),内置矩形挡板的微混合器混合强度始终大于内置梯形挡板的2种微混合器,最大差异达30%,出现在Re=7时,而当Re≥20时差异已小于10%.Re≤50范围内,斜面梯形挡板的效果略强于曲面梯形挡板,而此段雷诺数正是内置挡板的微混合器主要应用范围。
  虽然矩形挡板带来更强的混合效果,但对流场的强烈扰动必然导致极大的压力损失。因此3种微混合器进出口截面的压力差随雷诺数的变化,如图7所示。3种微混合器的压力损失随雷诺数的变化呈非线性变化,雷诺数越大,压力损失升高越剧烈,是由于流速增大对流作用强烈使得压力损失急剧升高。三者相比,矩形挡板产生的压力损失最大,符合前文分析的最强对流作用,斜面梯形挡板产生的压力损失最小。
 
  为平衡混合强度与压力损失的关系,以两者比值作图,如图8所示。该比值表征单位压力降所产生的混合强度,显然比值越大微混合器的综合性能越好。由图可见,矩形挡板的混合强度与压力损失之比始终低于2种梯形挡板。Re≥20时矩形挡板所产生的混合强度比梯形挡板仅高出不到10%,故可认为2种梯形挡板效果更佳。再比较图8中2种梯形挡板的数据点。Re<30,数据点基本重合,表明在该雷诺数段2种梯形挡板的综合性能相当。Re≥30时开始产生差异,斜面梯形的比值逐渐超过曲面梯形,且优势越来越显着。
  混合强度是评价微混合器性能的重要指标,但一味追求这一指标对微系统而言是不合理的。微系统受材质、加工方法、集成等问题所限,往往都需要综合混合强度和压力损失2个指标。因此,综合评价本文所研究的3种挡板结构,在5≤Re≤30时2种梯形挡板较矩形挡板效果更好,而30<Re≤90时斜面梯形挡板强化混合效果最佳。
  
  4结语
  
  本文对T型微混合器内置3种不同挡板的流动与混合进行数值模拟研究,通过定性分析流线与流体界面分布,比较流动与混合的发展过程,分析不同挡板结构的作用机理。结果表明,挡板所致的几何转角使流体产生离心力,从而产生流线的混乱,强化混合。流动发展中,不同雷诺数下流动对界面扭曲作用不同,使得不同挡板产生的混合效果相互竞争,但最终在出口处表现出矩形挡板对流场扰动最剧烈且混合强化效果最高,斜面、曲面梯形作用相当,主要是受缩流扩流协同作用。通过定量比较混合强度与压力损失,综合评价微混合器性能,结果表明,Re≤5时分子扩散主导,混合效果低下;5<Re≤90时,混合强度随雷诺数增大而显着增大,压力损失也呈现相同趋势。矩形挡板产生的混合强度始终大于两种梯形挡板,最大差异达30%,但其产生的压力损失远大于梯形挡板,综合效果低于梯形挡板;5<Re≤30时,两种梯形挡板表现的综合性能相当,30<Re≤90时,虽然斜面梯形混合强度略低于曲面梯形,但压力损失升高较慢,综合性能上斜面梯形优于曲面梯形。
  
  T型微混合器内置挡板的结构适用于低雷诺数段的强化混合,较之矩形挡板,梯形挡板有利用缓和来流,可减小微混合器的能耗。低雷诺数(Re=1~90)正是分析化学和生物化学以及生物技术为基础的分析、采样、混合、反应和分离等过程的工作条件,因此本研究可对微流控器件尤其是微混合器与微反应器的设计提供指导性的思路。

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