【畢業(yè)學(xué)位論文】（Word原稿）微流控系統(tǒng)中混合及汽液相變傳熱的數(shù)值模擬-工程熱物理

分類號(hào) 密級(jí) 621 編號(hào) 中國科學(xué)院研究生院 碩士學(xué)位論文 微流控系統(tǒng)中混合及汽液相變傳熱的數(shù)值模擬 指導(dǎo)教師姓名 研究員 中科院廣州能源研究所 申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別 碩士 學(xué)位 學(xué)科專業(yè)名稱 工程熱物理 論文提交日期 2009 年 5 月 論文答辯日期 2009 年 5 月 培 養(yǎng) 單 位 中國科學(xué)院廣州能源研究所 學(xué)位授予單位 中國科學(xué)院研究生院 答辯委員會(huì)主席 摘 要 I 摘 要 本文在微流控系統(tǒng)的背景下， 對(duì)微尺度下混合以及微通道內(nèi)流動(dòng)沸騰傳熱過程進(jìn)行了深入細(xì)致的研究。 在微尺度下，由于流動(dòng)處于層 流狀態(tài)，因此混合是一個(gè)巨大的難題。本文針對(duì)微尺度混合的特點(diǎn)，研究 了一種 脈動(dòng)流 微混合器。這種微混合器利用入口速度方波型 或正弦波型 脈動(dòng)實(shí)現(xiàn)微通道內(nèi)流體的有效混合。針對(duì)物理問題建立了通用的無量綱方程和邊界條件，利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué) 方法研究了微混合器的特性和脈動(dòng)參數(shù)的影響。結(jié)果表明對(duì)于方波型脈動(dòng)混合器， 在脈動(dòng)方波占空比為 位差為 180 度時(shí)，能達(dá)到較好的混合效果。微混合器中流動(dòng)具有混沌對(duì)流特征，可極大地增加界面面積，從而實(shí)現(xiàn)快速混合。 對(duì)于正弦波脈動(dòng)微混合器，其混合效果比方波型好。通道內(nèi)存在 月牙形的脈動(dòng)形狀，它決定了混合的效果。 （頻率）控制著通道內(nèi)脈動(dòng)形狀的大小，即流體分段的數(shù)目。 并不是越大越好，而是要取合適值以 使得通道內(nèi)月牙形區(qū)域?yàn)?4 8個(gè)。脈動(dòng)幅值 a 控制著通道內(nèi)脈動(dòng)形狀的對(duì)稱性，當(dāng) a 取最佳值使得脈動(dòng)形狀關(guān)于 合效果最好。最佳脈動(dòng)幅值一般隨 增加而增加，隨 的增加而減小。 （ ）影響流體在通道內(nèi)滯留的時(shí)間，從而影響擴(kuò)散混合的速率。由于脈動(dòng)流微混合以對(duì)流作用占主導(dǎo)，故隨著 增加，混合效果只有輕微的下降，說明脈動(dòng)流微混合器具有較廣的 適用范圍。 在微通道流動(dòng)沸騰的研究中， 采用 法 對(duì) 沸騰流型由 泡狀流 向 塞狀流 過渡的全過程 進(jìn)行了數(shù)值模擬 ，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)照 ，結(jié)果表明汽泡流型變化 的過程與實(shí)驗(yàn)較為接近。通過對(duì) 汽 泡周圍溫度場和流場的分析，表明 汽 泡的成長會(huì)影響溫度場和流場的分布，從而影響通道的傳熱系數(shù)。沸騰流型由泡狀流向塞狀流轉(zhuǎn)變的過程中，通道的傳熱系數(shù)不斷增大，總熱流也不斷增大。熱流的增加主要由汽液界面的相變潛熱熱流和汽泡引起的周圍流體對(duì)流傳熱的強(qiáng)化效應(yīng)兩部分組成。在泡狀流階段，相變潛熱的熱流比例很小；在彈狀流階段，相變潛熱熱流 比例逐漸增大 ，壁面處薄液膜的蒸發(fā) 傳熱效應(yīng)不能忽略 。 摘 要 鍵詞： 數(shù)值模擬；微混合；流動(dòng)沸騰；汽液相變；微通道 u n of to in in is a to of In a on of in be in of or at of of be be of .5 80 It is of to is to is on of in of or of to in of IV in be in of is a as As a a of in is to of to a of is on of it is of of of in is of by by In of is in of is of be 錄 V 目 錄 摘 要 . I . 一章 引言 . 1 流控技術(shù) . 1 尺度的基本概念 . 1 流控分析系統(tǒng) . 2 流控技術(shù)的應(yīng)用與前景 . 3 混合器簡介 . 4 混合的理論基礎(chǔ) . 4 混合器的分類及應(yīng)用 . 6 通道內(nèi)流動(dòng)沸騰的研究現(xiàn)狀 . 11 通道流動(dòng)沸騰的實(shí)驗(yàn)及理論研究 . 12 液相變的數(shù)值研究方法簡介 . 15 文的結(jié)構(gòu)和研究內(nèi)容 . 16 第二章 方波型脈動(dòng)流對(duì)微混合的強(qiáng)化 . 17 混合器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和物理模型 . 17 響參數(shù)的初步分析 . 19 值模擬的結(jié)果及分析 . 20 動(dòng)流對(duì)混合器內(nèi)濃度分布的影響 . 20 參數(shù)對(duì)混合度、混合長度和混合時(shí)間的影響 . 23 子追蹤方法揭示脈動(dòng)流流場特征 . 27 章小結(jié) . 28 第三章 正弦波型脈動(dòng)流對(duì)微混合的強(qiáng)化 . 30 人的研究簡介 . 30 理模型 . 30 制參數(shù)選擇 . 32 值求解過程 . 33 格的生成 . 33 解器設(shè)置 . 34 值方法正確性的驗(yàn)證 . 34 目 錄 算結(jié)果及討論 . 36 動(dòng)幅值的影響 . 38 動(dòng)頻率（ ）的影響 . 40 e 數(shù)的影響 . 41 合過程的時(shí)空依賴性 . 42 佳脈動(dòng)幅度 . 45 章小結(jié) . 46 第四章 微通道內(nèi)流動(dòng)沸騰的數(shù)值模擬 . 48 擬汽液相變的流體力學(xué)方程 . 48 值方法正確性的驗(yàn)證 . 50 題 . 50 止和運(yùn)動(dòng)汽泡的成長 . 52 值模擬準(zhǔn)備 . 54 解過程 . 54 格的生成及求解器的設(shè)置 . 56 果與討論 . 57 泡形狀的變化過程 . 57 泡周圍溫度場和流場分析 . 59 道中壓力的變化 . 61 熱系數(shù)的分析 . 62 章小結(jié) . 65 第五章 結(jié)論與展望 . 67 文的主要結(jié)論 . 67 望與建議 . 68 參考文獻(xiàn) . 69 附錄 . 74 方波型脈動(dòng)流微混合 . 74 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的論文 . 79 致 謝 . 80 第一章 引言 1 第一章 引言 20 世紀(jì) 90 年代初首次提出微全分析系統(tǒng)（ 概念 1。目前，該領(lǐng)域已發(fā)展成為當(dāng)前世界最前沿的科技領(lǐng)域，其核心技術(shù)是以微流控技術(shù)（ 基礎(chǔ)的微流控芯片。 流控技術(shù) 微流控 技術(shù) 的研究起初作為微電子機(jī)械系統(tǒng)（ 究的一個(gè)分支，是在 藝技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它繼承了 學(xué)科交叉的特點(diǎn)，同時(shí)又形成了自身的學(xué)科特色。目前，微流控技術(shù)的定義在國際學(xué)術(shù)界也不十分統(tǒng)一。版社出版的國際期刊“ 微納流控技術(shù)廣義定義為：“在微納米尺度下的物質(zhì)傳遞、動(dòng)量傳輸、熱傳遞、以及在傳輸中的反應(yīng)過程”的相關(guān)技術(shù) 2。 尺度的基本概念 近幾年來自然科學(xué)和工程技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要趨勢是朝微型化邁進(jìn)，人們的注意力逐漸從宏觀物體轉(zhuǎn)向那些發(fā)生在小尺度和 /或快速過程中的現(xiàn)象及其相應(yīng)器件上。微尺度系統(tǒng)一般是指特征尺寸在 1下但又大于 1 m 的器件 3。 在微尺度下，各種物理機(jī)制的重要性與常規(guī)尺度不同，部分大尺度下可忽略的效應(yīng)如表面效應(yīng)、入口效應(yīng)等在微尺度下卻舉足輕重。在不同的物理過程中，何種物理規(guī)律或者微尺度效應(yīng)占主導(dǎo)地位，以及如何利用這些占主導(dǎo)地位的物理規(guī)律來控制微流控系統(tǒng)是一個(gè)非常關(guān)鍵的科學(xué)問題。重要的微尺度效應(yīng)包括： 1、層流效應(yīng)：微尺度下的流動(dòng)一般為低雷諾數(shù)的層流流動(dòng)。 2、表面效應(yīng)和毛細(xì)效應(yīng)：由于物體的比表面積（表面積與體積之比）與特征尺度成反比，尺度的減小使得比表面相對(duì)較大，因此表面效應(yīng)和毛細(xì)效應(yīng)顯著。 3、快速熱傳導(dǎo)效應(yīng)：由于比表面積的增大，微尺度下的換熱增強(qiáng)，同時(shí)，由于物體尺度較小，具有較小的熱慣性和較快的熱響應(yīng)，使得微尺度下的傳熱控制成為可能。 4、擴(kuò)散效應(yīng)：由于微尺度流動(dòng)的 較低，使得流體間的混合變得比較困難，微流控系統(tǒng)中混合及汽液相變傳熱的數(shù)值模擬 2 不同流體之間的混合主要依靠界面的分子擴(kuò)散。 5、端部效應(yīng)：由于尺度較小，微通道內(nèi)的流動(dòng)許多情況下未充分發(fā)展，端部入口效應(yīng)對(duì)流動(dòng)和傳熱影響不能忽略。 6、三維效應(yīng)：微通道的尺度較小，周圍壁面影響不能忽略，一般不能簡化為二維處理。 7、氣體可壓縮性效應(yīng)：微通道尺度較小，沿程壓降相對(duì)較大，氣 體沿程的密度會(huì)發(fā)生變化。氣體可壓縮性的影響一般不能忽略。 8、壁面滑移效應(yīng)：對(duì)于微尺度氣體流動(dòng)，氣體流動(dòng)進(jìn)入滑移區(qū)，壁面附近將出現(xiàn)速度滑移和溫度躍變現(xiàn)象。 微尺度下各種效應(yīng)的相對(duì)作用取決于一系列無量綱數(shù)，如 ， ， ， ， 等，其物理意義如表 1示，其中 為密度， U 為特征速度， L 為特征長度， 為 熱擴(kuò)散系數(shù) ， 為運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)， 為 等壓膨脹 系數(shù)， g 為重力加速度， 為分子平均自由程 ， 為表面張力 。 表 1征微尺度效應(yīng)的無量綱數(shù) L 慣性力 /粘性力 對(duì)流 /擴(kuò)散 粘性力 /表面張力 g 對(duì)流 /擴(kuò)散 32g 慣性力 /粘性力 慣性力 /表面張力 分子自由程 /特征尺寸 流控分析系統(tǒng) 隨著越來越多的化學(xué)家和生物學(xué)家加入到微流控系統(tǒng)技術(shù)的研究領(lǐng)域，微流控系第一章 引言 3 統(tǒng)技術(shù)的研究獲得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，其研究領(lǐng)域已經(jīng)拓展到“微納米尺度下，所有與 流體相關(guān)的物質(zhì)傳遞，動(dòng)量傳輸、熱傳遞及生物化學(xué)反應(yīng)”。 微流 控 芯片利用微米級(jí)的各種管道和容器，同時(shí)整合微泵、微閥等微器件，操縱微升及亞微升級(jí)的樣品和試劑。微通道中的流體流動(dòng)行為與人們在日常生活中所見的宏觀流體流動(dòng)行為有著本質(zhì)的差別，因此微泵、微閥、微混合器、微過濾器、微分離器等微型器件往往都與相應(yīng)的宏觀器件差別甚大。 微流控 分析系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)包括： 1、具有極高的效率，這種高效率來源于結(jié)構(gòu)尺度的縮小和高的傳質(zhì)傳熱速率； 2、分析樣品的消耗降低到微升或納升水平，這 降低了分析費(fèi)用和貴重試劑的消耗，也減小了環(huán)境的污染，滿足 了綠色環(huán)保的需求； 3、分析系統(tǒng)高度集成化，大大減小了儀器所占的使用空間，已經(jīng)研制成功功能齊全、便于攜帶的儀器，應(yīng)用于各類場合的現(xiàn)場分析； 4、微流控分析系統(tǒng)的微小尺寸使得自身使用材料消耗減少，實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)的分析系統(tǒng)成本大幅度降低，有利于終端用戶的普及。 流控技術(shù)的應(yīng)用與前景 微流 控技術(shù)是 在微觀尺寸下控制、操作和檢測復(fù)雜流體的技術(shù)，是在微電子、微機(jī)械、生物工程和納米技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一門全新交叉學(xué)科。近年來微流 控 技術(shù)的快速發(fā)展，已經(jīng)在化學(xué)、醫(yī)藥及生命科學(xué)等領(lǐng)域上造成革命性的沖擊。 微流控技術(shù)的應(yīng) 用范圍包括了從打印機(jī)墨水噴頭、化工反應(yīng)過程、燃料電池到與生命科學(xué)相關(guān)的檢測等各方面。例如，熱式噴墨打印頭利用微加熱元上產(chǎn)生汽液相變時(shí)，汽液界面的膨脹來產(chǎn)生微液滴。如圖 1示，微加熱電阻由脈沖電信號(hào)控制，當(dāng)脈沖信號(hào)的高電平施加在微加熱器上時(shí)，微加熱器上產(chǎn)生高速瞬態(tài)相變，汽泡界面的膨脹將墨滴推出微噴嘴；低電平時(shí)，汽泡破滅，新的墨水被吸進(jìn)墨水腔。整個(gè)噴墨過程的微汽泡生長及潰滅周期處在微秒量級(jí)。 由于微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，高密度的熱量輸運(yùn)是一個(gè)富有挑戰(zhàn)性的問題。目前電腦 需的熱耗散密度可高達(dá) 1MW/因此微型換熱器是微流控技術(shù)一個(gè)重要的研究方向。這些換熱器多由水力直徑在 10 到 103 m 的微型管道組成，由光刻技術(shù)或利用微型工具切割而制作在薄片上。這些薄片既可以單獨(dú)組成平板換熱器，也可以組合在一起以形成順流或逆流換熱器。除了微槽型換熱器外，微熱管也是一類具微流控系統(tǒng)中混合及汽液相變傳熱的數(shù)值模擬 4 有高熱流輸運(yùn)能力的換熱器 。 通常微熱管不含有普通熱管中常見的毛細(xì)結(jié)構(gòu)來幫助冷凝后的液體返回蒸發(fā)段，而是 利 用管截面上尖角處的毛細(xì)力將冷凝后的液體傳送回蒸發(fā)段。 圖 1墨打印頭原理示意圖 2 在生命科學(xué)領(lǐng)域， 微流 控芯片 將一般實(shí)驗(yàn)室所使用的分離、純化、混合 、酵素反應(yīng)等裝置微小化到芯片上，以進(jìn)行生化反應(yīng)、過程控制或分析 。 這些芯片可對(duì)微量流體 (包括液體和氣體 )進(jìn)行復(fù)雜、精確的操作，如混合和分離微量流體、化學(xué)反應(yīng)、微量分析等。微流 控 芯片還可以在稀有細(xì)胞的篩選、信息核糖核酸的提取和純化、基因測序、單細(xì)胞分析、蛋白質(zhì)結(jié)晶等方面發(fā)揮獨(dú)特的作用。因?yàn)槲⒘?控 芯片具有體積輕巧、使用樣品 /試劑量少、反應(yīng)速度快、大量平行處理及可拋棄式等優(yōu)點(diǎn) ， 因此在生物技術(shù)研究上的應(yīng)用范圍非常廣泛。 混合器簡介 隨著微細(xì)加工技術(shù)的快速發(fā)展，微流控 技術(shù) 在生物芯片及芯片實(shí)驗(yàn)室中具有重要作用。 在兩股或多股流體進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)時(shí)，必須解決它們之間的有效混合，因而微混合器是微流控中的重要組成部分 4,5。微混合器還可以作為傳感器進(jìn)行環(huán)境檢測，如檢測水溶液中氨的含量等 6。 合毛細(xì)管電泳（ 離和 T 型混合器作為柱狀反應(yīng)器 7，而電場驅(qū)動(dòng)的 T 型混合器可用來進(jìn)行酶的分析 8。除了在傳感和分析領(lǐng)域的應(yīng)用外，微混合器還可以用于不互溶液體的擴(kuò)散并形成微液滴 9?？傊⒒旌掀魇钱?dāng)今國際研究的前沿領(lǐng)域，具有非常廣闊的應(yīng)用前景。 混合的理論基礎(chǔ) 在微流控 芯片 中，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)尺寸通常小于 數(shù)百微米，流體的雷諾數(shù)非常?。?100），不能發(fā)生湍流混合，流體完全呈層流狀態(tài)流動(dòng)，混合只能靠分子擴(kuò)散進(jìn)行。因此，有效、快速地混合是一個(gè)相當(dāng)漫長的過程，比如水分子要擴(kuò)散 1第一章 引言 5 m 的距離約需 1s；若是擴(kuò)散 1需 1000s 10。流體分子的擴(kuò)散可以用 律來表征： J D c （ 式中， J 為擴(kuò)散通量； D 為流體分子的擴(kuò)散系數(shù)； c 為組分的濃度； c 是擴(kuò)散方向上濃度的梯度。總的擴(kuò)散質(zhì)量還需要用擴(kuò)散通量乘以接觸面積?？梢?，流體分子的擴(kuò)散取決于擴(kuò)散系數(shù)、濃度梯度和接觸面積。由于擴(kuò)散系數(shù)與流體性質(zhì)有關(guān)，因此我們要從提高濃度梯度和增大接觸面積的方面來加速混合。 表征混合特征有幾個(gè)重要參數(shù) 雷諾數(shù) / D 表示慣性力與黏性力的比值，它也是判定流動(dòng)是層流還是紊流的重要參數(shù)。在微混合中，通常是低雷諾數(shù)的層流流動(dòng)。派克萊特?cái)?shù) /L D 表征由對(duì)流和擴(kuò)散引起的 質(zhì)量傳遞的比值，在高 下，對(duì)流傳質(zhì)占主導(dǎo)地位。 /在主動(dòng)混合器中代表某流體組分在通道的停留時(shí)間與擾動(dòng)周期之比。在這些參數(shù)中， U 代表通道內(nèi)的平均流速，L 為擴(kuò)散距離，對(duì)于微通道通常取截面尺寸的最小值， 為運(yùn)動(dòng)粘度， f 為擾動(dòng)頻率。 評(píng)價(jià)混合效果的參數(shù)通常有混合時(shí)間、混合長度和混合度（ of 對(duì) 于僅靠分子擴(kuò)散進(jìn)行混合的微通道，混合長度可表示為 2( / ) L D P e L ，混合時(shí)間 為 2 /t L D 。而混合度的 計(jì)算基于截面的濃度分布，其 定義通常有兩種形式，積分形式： 0|(1 ) 1 0 0 %|c d Ac c d A （ 式中， c 是混合通道截面上某流體組分的濃度分?jǐn)?shù)， 完全未混合時(shí)截面的濃度分?jǐn)?shù)（當(dāng)兩流體流量相同時(shí)，值為 0 或 1）， c是完 全混合時(shí)的濃度分?jǐn)?shù)（兩流體流量相同時(shí)為 A 為通道截面面積。從上面的定義可以看出， 值的范圍在 0和 1 之間， 1 時(shí)說明完全混合。上述定義還有一個(gè)等價(jià)的離散形式： 21()( 1 ) 1 0 0 %n （ 其中，i 個(gè)單元內(nèi)的濃度分?jǐn)?shù)， n 為截面上的單元總數(shù)。 對(duì)于寬度 100 m 的微通道，由于在微流控中，典型的 擴(kuò)散系數(shù) D 值為微流控系統(tǒng)中混合及汽液相變傳熱的數(shù)值模擬 6 9 1 0 21 0 1 0 / ，典型的 U 值為 31 0 / 1 0 /m m s m m s ，根據(jù)前面的公式，混合長度要達(dá)到幾米長，這顯然不能滿足應(yīng)用的要求。為了降低混合時(shí)間和混合長度，我們必須減小擴(kuò)散距離 L，它與混合長度呈平方關(guān)系。 為了 減小擴(kuò)散距離，需要使用摺疊、拉伸、展開、旋轉(zhuǎn)等各種方法將流體層分割為許多的薄層 11。這些分割、變形的流體薄層不但可以減小擴(kuò)散距離，而且也增大了流體間的接觸面積和濃度梯度，從而可以極大的增強(qiáng)混合效果。 混合器的分類 及應(yīng)用 由于微通道的尺寸太小，難 以與傳統(tǒng)的混合裝置聯(lián)用，為了實(shí)現(xiàn)層流狀態(tài)流體的快速混合，常常通過改變通道的構(gòu)型、引入外力等方法，以增加液流的接觸面積，縮短擴(kuò)散距離，產(chǎn)生混沌對(duì)流，從而提高混合效率。目前，微混合器通?？梢苑譃閮煞N：一種為主動(dòng)微混合器，另一種為被動(dòng)微混合器。主動(dòng)混合是指需要外部能量誘發(fā)混合的方法，包括微攪拌、壓力擾動(dòng)、聲波擾動(dòng)、電驅(qū)動(dòng)流體、磁驅(qū)動(dòng)流體、熱驅(qū)動(dòng)等；被動(dòng)混合是指不需要外部能量源的方法，主要依賴于通道幾何形狀，如開槽通道、流體分層流（在通道中加障礙物）、蛇形通道、誘發(fā)混沌對(duì)流等。 被動(dòng)微混合器，多采用在微通道中引入各 種微結(jié)構(gòu)來促進(jìn)混合。相對(duì)于主動(dòng)混合器，被動(dòng)微混合器除了輸運(yùn)流體外不需要額外的致動(dòng)器，因而其混合效果較穩(wěn)定，而且便于集成在微流控系統(tǒng)中。被動(dòng)微混合器根據(jù)其混合特征又可以大致分為分層流微混合器（ 混沌對(duì)流微混合器（ 幾類。一般來說，分層流微混合器在較低的 和 的情況下工作較好，而混沌對(duì)流微混合器可以工作在較廣的 范圍。 分層流微混合器是被動(dòng)微混合器中的一大類，它主要是通過各種微結(jié)構(gòu)將來流分為許多薄層，以達(dá)到減小擴(kuò)散距離和 增加接觸面積的作用。最典型的分層流混合器是合器。一般來說，對(duì)于兩分層流體，當(dāng)通過 n 個(gè)串聯(lián)的微結(jié)構(gòu)后，流體層厚度將變成原來的 1/2n ，則擴(kuò)散混合時(shí)間將呈指數(shù)型衰減22 /( 2 ) D 。 例如 人12設(shè)計(jì)了一種 混合器，經(jīng)過一個(gè) 體層由 2 個(gè)變?yōu)榱?4 個(gè) 。 利用多層次的分流、匯流混合方法 ， 相鄰液流的擴(kuò)散 距離減小，濃度梯度增加 。通過對(duì)含有 8個(gè)上述 效的混合。 除了 混合器 ， 3，第一章 引言 7 4等人還設(shè)計(jì)了一種叫做 微混合器。這種微混合器由一系列的并行通道組成，這些通道呈圓弧型分布，最終聚焦到圓心。開始階段的流動(dòng)通道很細(xì)，從而可以使流動(dòng)加速并使流體薄層的厚度減小，最終加速混合。按照這種設(shè)計(jì)思路制成的微混合器由 138 個(gè)微通道組成，可以在 達(dá)到 350L/h 的流量。如果不算上流體通過聚焦倉的時(shí)間，流體僅需要 4混合時(shí)間就可以達(dá) 到 95%的混合效果。 近年來，混沌對(duì)流微混合器受到了許多研究者的關(guān)注 15。 混沌 這一概念引入了混合，他認(rèn)為有效混合的關(guān)鍵在于產(chǎn)生拉伸和折疊，這些拉伸和折疊的變化 可以產(chǎn)生 混沌 現(xiàn)象 11。他的研究表明二維穩(wěn)態(tài)的流動(dòng)不能產(chǎn)生混沌，混沌的產(chǎn)生必須要時(shí)間尺度上或者空間尺度上的變化。主動(dòng)混合器可以借助外力形成非定常流誘發(fā)混沌，被動(dòng)混合器常常利用通道結(jié)構(gòu)的變化產(chǎn)生橫向的二次流，這樣流場沿通道軸向就會(huì)出現(xiàn)周期性的波動(dòng)以實(shí)現(xiàn)混沌對(duì)流。 例如， 人 16利用在通道底部蝕刻交錯(cuò)魚骨型槽道制成 混合器（ 實(shí)現(xiàn)混沌對(duì)流。其制作的 合器結(jié)構(gòu)和流場特性如圖 1示。圖 1示了經(jīng)過方向變化的魚骨型槽道后，通道內(nèi)產(chǎn)生了橫向二次流，并且二次流的旋轉(zhuǎn)中心有著周期性的變化。從圖 1看到，經(jīng)過一組交錯(cuò)魚骨型槽道后，通道內(nèi)的流體被強(qiáng)烈地拉伸、旋轉(zhuǎn)和折疊。實(shí)驗(yàn)表明在經(jīng)過 15 組交錯(cuò)魚骨型槽道后，流體可以達(dá)到完全混合，而且混合效果在 小于 100 的情況保持不變。對(duì)于常規(guī)的 T 型混合器在 410時(shí)，需要 高達(dá) 1m 的混合長度，而對(duì)于 合器只需要 1混合長度。 圖 1混合器結(jié)構(gòu)和流場特征 16 微流控系統(tǒng)中混合及汽液相變傳熱的數(shù)值模擬 8 人 17采用 混合器 （ 實(shí)現(xiàn)了混沌對(duì)流混合。由于通道中阻擋塊的存在，速度場被周期性地?cái)_動(dòng)而實(shí)現(xiàn)了混沌混合。沒有阻擋塊存在時(shí)，通道截面的速度繞橢圓點(diǎn)旋轉(zhuǎn)。經(jīng)過阻擋塊后，截面速度場發(fā)生了巨大的變化，形成了由雙曲點(diǎn)連接的兩個(gè)橢圓形流場區(qū)域。這種速度場能夠使流體界面面積呈指數(shù)型增長，從而極大地促進(jìn)混合。進(jìn)一步的實(shí) 驗(yàn)表明，與僅有底部斜凹槽的混合器相比， 合器所需要的混合長度僅是前者的一半。最后，作者還研究了非周期性的 通道中交錯(cuò)的加入一個(gè)或兩個(gè)阻擋塊），結(jié)果表明這種混合器可以消除通道中未混合的孤島，從而增強(qiáng)混沌對(duì)流混合。 還有一種 被動(dòng) 微混合器利用射流沖擊效果來實(shí)現(xiàn)混合。這種混合器利用一系列噴嘴將一股流體分為多股，然后將它們噴射到另一種流體中去。這種結(jié)構(gòu)可以增大流體間接觸面積，射流沖擊還可以影響流體運(yùn)動(dòng)方式，減小混合長度。 人 18報(bào)道過一個(gè)具有 400 個(gè)噴嘴陣列的射流混合器，混合效率可以得到 顯著的提高。 被動(dòng)微混合器雖然不需要外部活動(dòng)部件促進(jìn)混合，但通常需要加工復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)，而且對(duì)于雷諾數(shù)特別低的流動(dòng)，許多混合器的效果不佳。主動(dòng)混合器主要是通過外力產(chǎn)生混沌水平對(duì)流，它在微混合中非常有效，僅需很短的混合距離 2。文獻(xiàn)報(bào)道的主動(dòng)混合器有超聲制動(dòng)混合器（ 聲波起泡混合器（ 基于電潤濕的液滴混合器（ 磁力微混合器（ 電動(dòng)效應(yīng)微混合器（ 。 超聲制動(dòng)混合器的原理是：芯片上集成的傳感器將超聲波引入通道內(nèi)，通道內(nèi)的聲波流垂直于流體的流動(dòng)方向，引起微通道內(nèi)液流的攪動(dòng)，增強(qiáng)