一种基于多重涡流新型微混合器的设计与实验

１　１８　传感器与微系统（１ｒｒ叽ｓｄｕｃｅｒ　ａｎｄ　Ｍｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ）　２０１３年第３２卷第９期　

陈方璐，常洪龙，洪水金，叶芳　

（西北工业大学空天微纳教育部重点实验室，陕西西安７１００７２）　

摘要：设计了一种基于多重涡流的新型微混合器结构。该结构中多个呈反向分布的规则排列的扩张和　收缩结构可产生迪恩流与扩张涡流，基于此，可进行高效率的被动式混合。首先阐述了该结构产生内部迪　恩流和扩张涡流的机理，并利用ＣＯＭＳＯＬ软件对该结构进行了液流混合过程的三维数值模拟验证，分析　了不同流体流速对多重涡流强弱和混合程度的影响。最后制作了该微混合器，利用２种不同的染料进行　了混合实验，通过分析样品的混合效果验证了该混合器的性能。仿真和实验结果均表明：该混合器在低输　入流速（０．０１　Ｉ／ｓ）和高输入流速（７　Ｉ／ｓ）下均可实现高效快速的混合，在０．８　ｃｍ的距离内即可实现完　全混合，在输人流速为５　【／ｓ时最高混合效率可达９８．６％。　关键词：微流控芯片；微混合器；迪恩流；扩张涡流；数值模拟　中图分类号：ＴＨ７０３　文献标识码：Ａ　文章编号：１０００－９７８７（２０１３）０９－０１１８－０４　

１～　‘　１　‘　・　ｎ　‘　●　●　ＯｅｓｉＲｎ　ａｎｄ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ［ｏｒ　ａ　ｎｏｖｅｌ　ｍｌＣｒ０ｍｌＸｅｒ　

ｂａｓｅｄ　０ｎ　ｍｕｌｔｉｐｌｅ　ｖｏｒｔｅｘ　

ＣＨＥＮ　Ｆａｎｇ—ｌｕ，ＣＨＡＮＧ　Ｈｏｎｇ—ｌｏｎｇ，ＨＯＮＧ　Ｓｈｕｉ－ｊｉｎ，ＹＥ　Ｆａｎｇ　（Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｏｆ　Ｍｉｃｒｏ／Ｎａｎｏ　Ｓｙｓｔｅｍｓ　ｆｏｒ　Ａｅｒｏｓｐａｃｅ，Ｍｉｎｉｓｔｒｙ　ｏｆ　Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ，　Ｎｏｒｔｈｗｅｓｔｅｒｎ　Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ’ａｎ　７１００７２，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｄｅｓｉｇｎ　ａ　ｎｏｖｅｌ　ｍｉｘｉｎｇ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ　ｏｆ　ｓｅｖｅｒａｌ　ｏｐｐｏｓｉｔｅｌｙ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ　ｅｘｐａｎｓｉｏｎ　ａｎｄ　ｃｏｎｔｒａｃｔｉｏｎ　ｓｅｃｔｉｏｎｓ，ｗｈｉｃｈ　ｃａｎ　ｇｅｎｅｒａｔｅ　Ｄｅａｎ　ｆｌｏｗ　ａｎｄ　ｅｘｐａｎｓｉｏｎ　ｖｏ￣ｅｘ．Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｉｓ，ｔｈｅ　ｍｉｃｒｏｍｉｘｅｒ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｃａｎ　ｒｅａｌｉｚｅ　ｈｉｇｈ—ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ　ｍｉｘｉｎｇ．Ｔｈｅ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ｏｆ　ｆｏｒｍｉｎｇ　Ｄｅａｎ　ｆｌｏｗ　ａｎｄ　ｅｘｐａｎｓｉｏｎ　ｖｏｒｔｅｘ　ａｒｃ　ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ　ｆｉｒｓｔ．ｔｈｅｎ　３　Ｄ　ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｉｓ　ｃａｒｒｉｅｄ　ｏｕｔ　ｔｏ　ｖｅｒｉｆｙ　ｌｉｑｕｉｄ　ｆｌｏｗ　ｍｉｘｉｎｇ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｂｙ　ＣＯＭＳＯＬ，ａｎａｌｙｚｅ　ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｆｌｏｗ　ｒａｔｅｓ　ｏｎ　ｓｔｒｏｎｇ　ｏｒ　ｗｅａｋ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍｕｌｔｉｖｏｒｔｅｘ　ａｎｄ　ｍｉｘｉｎｇ　ｄｅｇｒｅｅ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅ　ｍｉｃｒｏｍｉｘｅｒ　ｉｓ　ｆａｂｒｉｃａｔｅｄ．Ｔｗｏ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｄｙｅｓ　ａｒｅ　ｕｓｅｄ　ｆｏｒ　ｍｉｘｉｎｇ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ．Ｂｏｔｈ　ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｍｉｘｅｒ　ｃａｎ　ｏｂｔａｉｎ　ｈｉｇｈ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　ａｎｄ　ｆａｓｔ　ｍｉｘｉｎｇ　ａｔ　ｔｈｅ　ｌｏｗ　ｒａｔｅ　ｏｆ　０．０１　Ｌ／ｓ　ａｓ　ｗｅｌｌ　ａｓ　ｈｉｇｈ　ｉｎｐｕｔ　ｆｌｏｗ　ｒａｔｅ　ｏｆ　７　【／ｓ，ｔｈｅ　ｈｉｇｈｅｓｔ　ｍｉｘｉｎｇ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ　ｉｓ　ｕｐ　ｔｏ　９８．６％ａｔ　ｔｈｅ　ｆｌｏｗ　ｒａｔｅ　ｏｆ　ｉｎｐｕｔ　５　Ｌ／ｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｍｉｃｒｏｆｌｕｉｄｉｃ　ｃｈｉｐ；ｍｉｃｒｏｍｉｘｅｒ；Ｄｅａｎ　ｆｌｏｗ；ｅｘｐａｎｓｉｏｎ　ｖｏ￣ｅｘ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　

０引　言　微混合器是一种可进行微量液体混合、流向控制的微　

机电系统，是微流控芯片的重要组成部分之一。由于系统　

的微型化，通道的长度和孔径减小到微米级，给液流的均匀　

混合增加了难度。对于微系统中的混合反应体系，当混合　

速度小于反应速度时，混合时间成为决定反应完成时间的　

关键因素，成为限制反应时间以至整个系统分析时间的瓶　

颈。　目前，国内外对微流体混合器的分类按照有无外界能　

量输入分为主动式微混合器和被动式微混合器２种　ｊ。其　

中，主动式微混合器按照能量输入形式的不同可分为磁场　

收稿日期：２０１３－０３－１５　基金项目：国家自然科学基金资助项目（６０９７６０８７）　驱动、电场驱动、超声波驱动等，其优点是混合速度快、效果　好，缺点是需要外界能量输入、外形较大且发热显著，难以　应用在一些对外界环境敏感的生化分析中。被动式微｝昆合　器通过设置特殊的几何形状来改变混合腔中流场的分布，　是不同流体之问的接触面发生扭曲变形，在减小微扩散距　离的同时增大了微扩散的面积，从而有效地提高了微尺度　下混合效率。文献中报道的结构有“鱼骨”型　Ｊ、“Ｔ”　型　、“Ｙ”型　Ｊ、“之”字型　等。由于其无需外接能量输　

入，构造简单且易于与其他微流控元件集成，因而受到了科　研人员的青睐。肖丽君等人　研制出一种由多个不同半　径的弯曲管道双螺旋结构的微混合器，其混合器利用弯曲　管道内部产生的迪恩流进行混合，提高了混合效率，

但整个　第９期　陈方璐，等：一种基于多重涡流新型微混合器的设计与实验　ｌ１９　

芯片存在尺寸大，混合效率不高，完全混合需要较长的混合　

距离等缺点。Ａｒｊｕｎ　Ｐ等人　研制了一种基于内部产生混　

合涡流的扩张和收缩结构交替的“Ｃ”型微混合器，这种结　构能在弯曲微通道截面内产生二次流和在水平面上的背阶　

回流，提高了液体的混合效率，但是要使混合充分，输入速　

度需较大，而速度较大会造成剪切力大，因而不适用于含有　细胞的生物反应中，而且芯片也存在尺寸大，消耗材料多的　

缺点。　本文设计一种基于迪恩流和扩张涡流进行混合的被动　

式微混合器，首先分析了该混合器结构产生迪恩流和扩张　

涡流的原理与特点，再通过软件模拟其对微管道中液体的　混合作用，最后利用微加工技术制作微混合器，并设计样品　

混合实验对其性能进行分析。　

１混合原理　如图１所示为该混合器结构产生垂直截面迪恩流和水　

平面扩张涡流的示意图。当Ａ，Ｂ两种试液注入微通道后，　

由于试液Ａ的压力，试液Ｂ紧贴着ｓ２流动。流入收缩段　

时，试液Ｂ在ｓ２面产生的压力下流向ｓ１面，产生横向的压　力梯度，然后受到ｓ１面的限制转向前进方向，转向时的离　

心力产生了二次流，即２个在通道上下面相互对称、旋向相　

反的涡流也就是迪恩流。本结构中设置分别朝向ｓ１，ｓ２方　向的扩张段（如扩张段１、扩张段２）交替分布，则经过扩张　

段１后的截面１和经过扩张段２后的截面２产生的迪恩流　

的流向正好是相反的。在水平方向上，当流体由收缩段流　向扩张段的时候，其横截面积突然间增大，流体受到通道壁　

分离作用会产生一个反向的压力梯度导致在扩张段的入口　

处形成一个涡流（扩张涡流）。液体内部产生的迪恩流，可　

以使流体层发生分割变形，增大流体的接触面积，而扩张涡　

流可以对微流道中液体层流流动进行扰动，２种涡流相互　作用可以进一步加强液体内部不同组分之间的混合。　

Ｂ　

Ａ　

图１迪恩流和扩张涡流示意图　Ｆｉｇ　１　Ｄｉａｇｒａｍ　ｏｆ　Ｄｅａｎ　ｆｌｏｗ　ａｎｄ　ｅｘｐａｎｓｉｏｎ　ｖｏｒｔｅｘ　用于表征迪恩流的参数是迪恩数Ｄ　，其表示为　

；　，　㈩　

式中ｐ和肛分别为流体密度和动力黏度；Ｒｅ为基于平均　

流速的雷诺数；Ｍ，为平均流速；　为流道的曲率半径；Ｄ　为　水利直径，即Ｄ　＝２ｗｈ／（Ｗ＋　）；Ｗ和ｈ分别为管道的宽和　

高。迪恩流强度随着迪恩数的增大而增强，当其他参数保　

持不变时，迪恩数与雷诺数呈正比，而水平方向上的扩张涡　流强度也是随着雷诺数的增大而增强。由此可见，当提高　

流体的雷诺数时可以同时增强横截面迪恩流和扩张涡流的　

强度。　．　

２模型的模拟仿真与分析　

２．１数值模拟仿真　模拟模型如图２所示，其相应尺寸如图所示。其中，　

ａ￣ｆ分别用于标记该处流道横截面以便模拟结果分析。应　用ＣＯＭＳＯＬ　Ｍｕｈｉｐｈｙｓｉｃｓ软件对该模型进行三维数值仿真，　

采用不可压缩的Ｎ—Ｓ方程作为控制方程，液体分别从２个　

入口流入微通道，其浓度分别设为５和Ｏ，设置流体密度系　数为１０。。ｒｎ２／ｓ。为了对比混合效果，本文设计了简单“Ｙ”　

型混合结构，通过模拟仿真来对比２种混合结构的混合效　

果。　

２．２模拟结果与讨论　图３是图２中截面ｂ和Ｃ中的速度矢量图，从图中可　

知，随着雷诺数Ｒｅ的增大，即流体输入速度的增大，二次流　逐渐增强，且截面ｂ和截面Ｃ内产生的迪恩流方向正好相　

反，与前文中所提到的相符。　

图２微混合器的仿真模型　Ｆｉｇ　２　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｍｉｃｒｏｍｉｘｅｒ　

＃三乏ｉｊ　

Ｒｅ＝５　Ｒｅ＝１４　ｆａ）截面ｂ内的迪恩流强度　（ａ）Ｄｅａｎ　ｆｌｏｗ　ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ　ｉｎｓｃｃｔｉｏｎ“ｂ　

Ｒｅ＝５　ｅ＝ｌ４　ｅ＝３５　（ｂ）截面ｃ内的迪恩流强度　（ｂ）Ｄｅａｎ　ｆｌｏｗ　ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ　ｉｎｓｅｃｔｉｏｎ“ｃ”　图３不同雷诺数下截面ｂ和Ｃ内的迪恩流强度　Ｆｉｇ　３　Ｄｅａｎ　ｆｌｏｗ　ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ　ｉｎ　ｓｅｃｔｉｏｎ“ｂ”ａｎｄ“Ｃ”ａｔ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　Ｒｅ　图４所示为在混合器模型上取一段收缩和扩张结构，　

模拟在不同的雷诺数　下在水平面上产生扩张涡流的情　况。当Ｒｅ：５时，水平面上在收缩段和扩张段相接的部位　

甚　圜１２０　传感器与微系统　第３２卷　

没有产生明显的涡流现象。当Ｒｅ＝１４时，在扩张段产生了　

十分明显的涡流现象，随着雷诺数　ｅ的继续增大，涡流产　

生的部位发生了变化。　

图４不同雷诺数下产生的扩张涡流　Ｆｉｇ　４　Ｅｘｐａｎｓｉｏｎ　ｖｏｒｔｅｘ　ａｔ　ｄｉｆｅｒｅｎｔＲｅ　图５是本文设计的扩张收缩结构同传统的“Ｙ”型混合　

器的混合效果的对比图，流体的输入速度设置为２　ｐ￣Ｌ／ｓ　（Ｒｅ＝１４）。由图中可以看出：“Ｙ”型混合器的混合效果较　

差，而本文中所设计的混合结构在经过３个扩张收缩段以　

后已经实现了均匀混合的效果，在出口处即可实现试液的　

完全混合。　

（ａ）“Ｙ”型混合器的混合效果仿真　（ａ）ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕａ　ｏｆ“Ｙ”ｍｉｃｒｏｍｉｘｃｒ　

（ｂ）本文所设计结构的混合效果仿真　（ｂ）ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔ　ｏｆｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ｍｉｃｒｏｍｉｘｅｒ　

图５流速为２　ｐＺ／ｓ时。“Ｙ”型混合器和本文设计　的混合器的混合效果仿真　Ｆｉｇ　５　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔ　ｏｆ“Ｙ’’ａｎｄ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ｍｉｃｒｏｍｉｘｅｒ　ｗｈｅｎ　ｆｌｏｗ　ｒａｔｅ　ｉｓ　２　ｐＬ／ｓ　图６为图２中ａ～ｆ截面内模拟仿真的混合效果，采用　

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化工行业常用搅拌器研究热点

$%&'(#""现代化工第!"卷第"#期

)*+,-./0,12%345.+67&-8(#""年"#月

技技术术进进展展

化工行业常用搅拌器研究热点

陈俊英󰀡李红伟

󰀡郑州大学化学工程与能源学院󰀢河南郑州;?###"󰀤

摘要!归纳了近年来化工行业常用搅拌器的研究热点"将其总结为9个方面!大型化'微型化'连续化'高黏度化'节能化'数值模拟'智能化和反求工程#分析了搅拌器发展的多样性以及各个研究热点的优越性"提出尚待解决的问题"并展望了搅拌器未来的发展方向#关键词!搅拌器$混合器$化工中图分类号󰀡GC#?"'S=文献标识码󰀡>=文章编号󰀡#(?!@;!(#%(#""&"#@##"(@#?

!"#$%&'"4(0(3(10.44&"3+&"3&-,/F(0/'.4(,/.1*/'$#3"0%#012<%&'@)&8"!"0.&8'A,)%Y%0**4*F/0,12%34A.B2.,,-2.B3.+A.,-B8"J0,.Be0*6D.2E,-72&8"J0,.Be0*6;?###""/02.3&

563"01."!G0,-,7,3-%00*&7I*&7*F12R,-2.%0,12%342.+67&-83-,B,.,-342e,+3.+7611,+6I37,2B0&37I,%&7!43-B,P7%34,"12%-*P7%34,"],%*12.B%*.&2.6*67"B,&&2.B02B0E27%*72&8",.,-B8P73E2.B".61,-2%34721643&2*."2.&,442B,.&3.+-,E,-7,,.B2.,,-2.B'G0,+2E,-72&8*F3B2&3&*-+,E,4*I1,.&3.+&0,3+E3.&3B,7*F,3%0-,7,3-%00*&7I*&3-,3.348e,+'G0,I-*]4,17&03&.,,+&*],7*4E,+3-,I-*I*7,+'G0,+,E,4*I1,.&+2-,%&2*.7*F12R,-3-,02B042B0&,+2.&027I3I,-2.&0,,.+'7(%8&0$3!3B2&3&*-$12R,-$%0,12%342.+67&-8

=收稿日期󰀡(#""@#;@(S$修回日期󰀡(#""@#9@"(=作者简介󰀡陈俊英%"TS(@&"女"博士"副教授"主要从事生化设备强化及可再生能源方面的研究""!:#S::!9S""%0,.L8Uee6',+6'%.#==搅拌器是利用搅拌桨叶的旋转向釜内流体输入

机械能"从而使流体获得适宜的流动场的机械装置#

搅拌设备在工业生产中应用范围很广"尤其在化工

生产中"几乎所有的化工部门或多或少地都存在着

搅拌操作#甚至在近些年来高速发展的高分子工业

中"作为生产高分子材料的核心设备的聚合反应器

中T#Z是搅拌设备#搅拌操作作为过程工业的基

本单元操作是化工反应过程的重要环节"其原理涉

及流体力学'传热'传质及化学反应等多种过程"搅

拌过程就是在流动场中进行动量传递或是包括动

量'热量'质量传递及化学反应的过程#

虽然搅拌设备历史悠久"应用范围广泛"但是针

对搅拌操作的研究却远远不够#搅拌操作所涉及的

因素极为复杂!搅拌的物料的物性千差万别"搅拌的

目的也不尽相同"搅拌设备形式多种多样"再加上物

料在搅拌设备内部流动极其复杂"如何合理正确地

设计以及选择搅拌器都没有一个严密的理论指导"

在很大程度上仍依赖于经验设计#

近年来"随着科学技术的发展"化工'医药以及

石油等各个行业对搅拌操作的要求越来越高"搅拌

的物料也呈现出复杂性"不再是低黏度的牛顿流体"

高黏度'变黏度的流体也经常碰到#在化工行业中"

常见的搅拌形式是机械搅拌'喷射搅拌以及气流搅

拌等"由于机械搅拌在化工行业中仍旧占据着重要的地位"因而本文主要对近几年来机械搅拌器的研

究热点进行了分析'归纳"介绍了部分研究成果"并

提出研究尚不充分的问题"为进一步研究提供参考#

9:传统搅拌器研究热点

9>9:大型化

搅拌器在服从系列化和多样化的同时也日趋大

型化#例如WX/'乙烯'聚醚'顺丁橡胶等装置中使

用的搅拌反应釜容积都已经达到S#1!以上"我国

国内研制的年产;#万&的关键设备WX/聚合釜

%ad"!?聚合釜&的容积已经达到了"!?1!"这也是

目前亚洲地区投入的最大容积的聚合釜(")"国内其

他化工行业大型生产装置的反应釜容积已经达到

(##1!左右"而在发酵工程中"发酵罐体积已经达

到了!?#1!#根据文献报道"外国的大型化搅拌器

已经达到"###1!以上#

采用大型化的搅拌器具有非常多的优点!可以

提高产品的质量和均一性"减少装置的占地面积"降

低装置建设投资"降低装置的生产管理和维修费用"

同时有利于实现自动化控制#但是"设备的大型化

过程对科研与设计单位提出了更高的要求"即如何

把基础研究的结果'单元操作的有关理论与具体工

艺过程的要求有机地结合起来#例如"大型搅拌器

的壁厚比较厚"应更好地解决传热问题"大型搅拌器,(",(#""年"#月陈俊英等󰀡化工行业常用搅拌器研究热点

的搅拌轴一般比较长"搅拌轴承受的扭矩也更大"这

不仅对搅拌器生产提出了更高的要求"也对搅拌器

的安装精度提出了更高的要求#

9>;:微型化和集成化

随着纳米材料以及微机电系统%12%-*@,4,%&-*@

1,%03.2%34787&,17")A)Y&的迅速发展"微型化和集

成化成为化工技术的一个发展方向"我国微化工技

术起源于(###年"经历"#年多的发展"已经取得了

很大的成就#微混合器作为微化工关键设备之一"

由于其独特的优越性成为近年来研究的热点之一#

微混合器可以根据有无外界驱动力分为主动式

微混合器和被动式微混合器#主动式混合器主要是

利用外场的作用产生液体间的相对运动来进行混

合"例如微流体超声波混合器'磁力搅拌微混合器'

动电式微混合器'压力扰动式微混合器'电渗流微混

合器等等((@;)#被动式混合器主要依靠管道的内部

结构和形状"尽可能增大混合面积以达到增强混合

的效果"近年发展出来的微混合器主要有混沌微混

合器'G型微混合器'静态微混合器'分流微混合器

等等(?@9)#

微混合器具有许多优点"具有非常大的面容比'

非常高的传热传质系数"可大幅度提高反应过程中

资源和能量的利用效率"同时体现出更高的选择性"

具有更高的安全性"并且易于控制"可以实现化工过

程的连续和高度集成'分散和柔性生产"并具有易于

放大等优点(T)#

国内外近年来的研究热点主要集中在微混合器

加工技术'研究流体流动以及混合机理'研究微混合

器的性能以及压力降'利用/dH进行模拟等方面"

但是由于微尺度理论和技术都不完善"因此微混合

器的发展仍旧不成熟("#@";)#现在微混合器工业化

还是一个难点"因为微混合器的处理能力比较低"要

想实现工业化规模就必须对微混合器进行放大"如

果单单利用微混合器数量的叠加来实现放大"其检

测和控制的难度将大大增加"对于实际生产来说成

本相对比较高("?)#微混合器还有一个缺点就是管

道容易堵塞"微混合器现在只能处理相对洁净的物

料"而对于有颗粒产生的物料则非常容易堵塞"其清

理过程非常复杂(":)#相信在今后几年"微混合器的

研究重点将集中在微混合器与其他单元过程的集

成'微混合器的放大'工业化应用以及开发新型清洁

的微混合器等方面#

9><:连续化

传统意义的搅拌器在生产的过程中往往不能连续生产"在搅拌操作结束之后就要停止搅拌进行卸

料"然后重新进行装料进行生产"这种搅拌方式严重

降低了生产效率#尤其对于悬浮液和乳浊液来说"

在停止搅拌后会出现沉淀和分层"从而影响产品的

质量#因而近年来如何实现搅拌器的连续化生产也

是搅拌器的研究热点之一#

实现搅拌器的连续化操作具有很多优点"相对

于批量搅拌可以减少劳动力"提高搅拌效率"降低生

产成本"提高产品质量"便于自动化控制等等#

现在常用的连续搅拌器是将需要混合的物料以

稳定的流速流入搅拌器"搅拌器中的物料以同样稳

定的流速流出搅拌器#物料的混合是通过搅拌器强

烈的搅拌作用"在很短的时间内使物料达到均匀混

合"这种连续搅拌的方式主要适用于低黏度流体"而

对于高黏度流体则不很适用#在高黏度流体的搅拌

操作中常采用互换容器的方法实现半连续化生产"

但需要设立多个搅拌罐"初期投资比较大#

连续化搅拌器的控制是一个难点"近年来的研

究主要集中在自动化控制以及数值模拟上("S@"9)#

近些年来发展出了很多可行的控制方案"基本可以

满足生产过程的基本需求"但是仍旧有许多不足"随

着电脑的发展以及新控制方案的提出"连续搅拌的

自动化控制水平会越来越高"所以搅拌器的连续化

还有很大的发展空间#

9>=:高黏度化

在石化'化妆品'制药'涂料以及油墨等工业部

门常常会遇到高黏度流体的搅拌操作"有的搅拌操

作甚至是以固体产物为终结的#对于高黏度流体混

合来说"其流动状态往往是层流"因此高黏度流体的

混合机制主要是剪切混合和对流混合"扩散所起的

作用不大#因而合理选择和设计搅拌设备形式"研

究其混合效果"对于强化传热'提高混合质量'改善

被混合介质的性能至关重要("T)#近年来"高黏度流

体混合设备已经得到了长足的发展"除了传统的立

式单轴混合设备之外"还出现了立式双轴混合设备'

卧式单轴混合设备'卧式双轴混合设备#这些混合

设备的搅拌方式各种各样"都各有优缺点#例如"立

式单轴混合设备虽然制造简单"但是混合效率非常

低$卧式双轴混合设备因为其搅拌构件之间以及它

们与混合器壁之间相互刮擦而具有自清洁作用"但

是其制造工艺比较复杂"对安装精度要求比较高"另

外其混合特性的数据研究相对较少"因而在设计时

理论依据和经验依据都比较少#近年来许多学者都

致力于改进或者开发适合高黏度流体的搅拌器",!",

一种基于脉冲涡流无损检测技术的硬度分选仪的设计

白杨;王益祥

【摘要】This paper describes a kind of hardness sorter based on

nondestructive testing technology. The field programmable gate array is

taken as the central control platform. and the frequeney of DDS signal

generator based on FPGA is used to modulate its pulses. At the same time

the signal acquisition circuit is designed.The software synchronization

sampling technique is used to col ect the feedback status data and then

pick up the data related to the hardness of material. At last,the correlativity

between the hardness of material and characteristic data is established to

distinguish the hardness status.%基于脉冲涡流无损检测技术的硬度分选仪，以FPGA作为核心控制平台，采用DDS技术发出频率可调节的脉冲波，并设计了相应的信号采集电路，通过软件同步采样技术采集反馈的状态数据，然后通过对状态数据的主成分分析，提取出和材料硬度相关的数据信息，最后通过最小二乘法建立起特征数据与材料硬度的相关关系，从而最终实现判断钢铁材料硬度状态的目的。

【期刊名称】《机械制造与自动化》

外加温度梯度的微混合器设计方案

地址: 北京市北四环西路15号邮政编码:100190 Address: No.15 Beisihuanxi Road, Beijing 100190

第八届全国流体力学学术会议

2014年9月18～21日甘肃兰州

文章编号： CSTAM2014-B01-0331

标题：通过外部温度梯度提高交流电热微混合器效果的数值研究

作者：张峰，陈瀚

单位：华中科技大学力学系

华中科技大学数字制造装备与技术国家重点实验室

第八届全国流体力学学术会议

2014年9月18-21日甘肃兰州 S10027

1）基金资助项目: 教育部博士点专项基金(20090142120007);教育部回国人员科研启动基金;国家自然科学基金(11172111)

2）Email：hanchen@ 通过外部温度梯度提高交流电热微混合器效果的数值研究1）

张峰*，，陈瀚*，+2）

*（华中科技大学力学系，湖北武汉 430074）

+（华中科技大学数字制造装备与技术国家重点实验室，湖北武汉 430074）

摘要对于利用交流电热原理的微混合器，过高的电压会导致生物流体的活性降低以及在通道内产生气泡。因此，生物微流体的混合效果往往并不理想。本文提出了一种通过施加外部温度梯度以增强交流电热效应从而提高微流体混合效果的方法，并采用数值模拟方法研究了在外部温度梯度情况下微通道内流场和浓度的分布。本文结果表明，适当地施加外部温度梯度不仅能有效提高微混合器中的电热流动速度大小，同时能改变微混合器内流体的流动方向和涡流形态，增强了流线拉伸与折叠效果，使待混合流体间的接触面积增大，促进其混合效果。本文的研究结果对提高微混合器的性能具有实用意义，对新型高效微混合器的设计具有参考价值。

关键词微流控芯片；交流动电现象；电热效应；微混合器；外部温度梯度引言

在生物溶液分析中，微混合器已经成为微流控系芯片中的重要组成部分之一。一些要求快速反应的生物溶液过程,如DNA杂交、细胞激活、酶反应、蛋白质折叠等不可避免地涉及到反应物的混合。交流动电现象（AC

含能材料桌面式在线分析检测系统的研究

ｄｏｉ:１０.３９６９/ｊ.ｉｓｓｎ.１００１￣８３５２.２０２４.０１.００１含能材料桌面式在线分析检测系统的研究❋钱　江①②　周星屹①②　周　楠③　石锦宇①②　费翼鹏①②　朱　朋①②　沈瑞琪①②①南京理工大学化学与化工学院(江苏南京ꎬ２１００９４)②微纳含能器件工业和信息化部重点实验室(江苏南京ꎬ２１００９４)③北京航天长征飞行器研究所(北京ꎬ１０００７６)[摘　要]　为了能对含能材料结晶过程中重要参数实现原位在线检测ꎬ设计并构建了能够实现多种检测功能的微流控结晶过程在线检测系统(ＭＣＰＭＳ)ꎮ该系统集成了在线光谱仪、激光器、工业电感耦合元件图像传感器相机与激光粒度仪等多种在线检测装置ꎬ可对微反应器的混合效果、炸药结晶关键过程参数(晶体溶解度、介稳区宽度等)以及含能材料晶体形貌等多个重要因素与性能进行分析检测ꎮ利用该系统分析了混沌对流微混合器的混合过程ꎬ表征了共轴聚焦流微混合器的混合强度ꎮ以六硝基茋(ＨＮＳ)炸药为例ꎬ基于涡流微混合器测定了ＨＮＳ的结晶热力学与动力学参数ꎻ基于测定的粒径分布数据研究了ＨＮＳ基高聚物黏结炸药的晶体生长动力学ꎻ基于微筛孔混合器分析了延期药常用氧化剂铬酸钡的晶体厚度与光学性质间的联系ꎮ该系统具备良好的功能性与实用性ꎮ[关键词]　微流控ꎻ含能材料ꎻ过程分析ꎻ在线检测[分类号]　ＴＱ５６０.７ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＤｅｓｋｔｏｐＯｎｌｉｎｅＡｎａｌｙｓｉｓａｎｄＤｅｔｅｃｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍｆｏｒＥｎｅｒｇｅｔｉｃＭａｔｅｒｉａｌｓＱＩＡＮＪｉａｎｇ①②ꎬＺＨＯＵＸｉｎｇｙｉ①②ꎬＺＨＯＵＮａｎ③ꎬＳＨＩＪｉｎｙｕ①②ꎬＦＥＩＹｉｐｅｎｇ①②ꎬＺＨＵＰｅｎｇ①②ꎬＳＨＥＮＲｕｉｑｉ①②①ＳｃｈｏｏｌｏｆＣｈｅｍｉｓｔｒｙａｎｄＣｈｅｍｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬＮａｎｊｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ(ＪｉａｎｇｓｕＮａｎｊｉｎｇꎬ２１００９４)②Ｍｉｃｒｏ￣ＮａｎｏＥｎｅｒｇｅｔｉｃＤｅｖｉｃｅｓＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＭＩＩＴ(ＪｉａｎｇｓｕＮａｎｊｉｎｇꎬ２１００９４)③ＢｅｉｊｉｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＳｐａｃｅＬｏｎｇＭａｒｃｈＶｅｈｉｃｌｅ(Ｂｅｉｊｉｎｇꎬ１０００７６)[ＡＢＳＴＲＡＣＴ]　Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏａｃｈｉｅｖｅｉｎ￣ｓｉｔｕｏｎｌｉｎｅｄｅｔｅｃｔｉｏｎｏｆｉｍｐｏｒｔａｎｔｐａｒａｍｅｔｅｒｓｉｎｔｈｅｃｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｏｆｅｎｅｒｇｅｔｉｃｍａｔｅｒｉａｌｓꎬａｍｉｃｒｏｆｌｕｉｄｉｃｃｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍ(ＭＣＰＭＳ)ｗｉｔｈｍｕｌｔｉｐｌｅｄｅｔｅｃｔｉｏｎｆｕｎｃｔｉｏｎｓｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄａｎｄｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ.ＴｈｉｓｓｙｓｔｅｍｉｎｔｅｇｒａｔｅｓｖａｒｉｏｕｓｏｎｌｉｎｅｄｅｔｅｃｔｉｏｎｄｅｖｉｃｅｓｓｕｃｈａｓｏｎｌｉｎｅｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒｓꎬｌａｓｅｒｓꎬＣＣＤｃａｍｅｒａｓꎬａｎｄｌａｓｅｒｐａｒｔｉｃｌｅｓｉｚｅａｎａｌｙｚｅｒｓ.Ｉｔｃａｎｄｅｔｅｃｔａｎｄａｎａｌｙｚｅｍｕｌｔｉｐｌｅｉｍｐｏｒｔａｎｔｆａｃｔｏｒｓａｎｄｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｓｕｃｈａｓｔｈｅｍｉｘｉｎｇｅｆｆｅｃｔｏｆｍｉｃｒｏｒｅａｃｔｏｒｓꎬｋｅｙｐｒｏｃｅｓｓｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｅｘｐｌｏｓｉｖｅｃｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ(ｃｒｙｓｔａｌｓｏｌｕｂｉｌｉｔｙꎬｍｅｔａｓｔａｂｌｅｚｏｎｅｗｉｄｔｈꎬｅｔｃ.)ꎬａｎｄｃｒｙｓｔａｌｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙｏｆｅｎｅｒｇｅｔｉｃｍａｔｅｒｉａｌｓ.Ｔｈｅｍｉｘｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｏｆｔｈｅｃｈａｏｔｉｃｍｉｃｒｏｍｉｘｅｒｗａｓａｎａｌｙｚｅｄｕｓｉｎｇｔｈｉｓｓｙｓｔｅｍꎬａｎｄｔｈｅｍｉｘｉｎｇｓｔｒｅｎｇｔｈｏｆｔｈｅｃｏａｘｉａｌｍｉｃｒｏｍｉｘｅｒｗａｓａｌｓｏｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚｅｄ.ＴａｋｉｎｇＨＮＳａｓａｎｅｘａｍｐｌｅꎬｔｈｅｃｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎｔｈｅｒｍｏｄｙｎａｍｉｃａｎｄｋｉｎｅｔｉｃｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆＨＮＳｗｅｒｅｍｅａｓｕｒｅｄｂａｓｅｄｏｎａｖｏｒｔｅｘｍｉｃｒｏｍｉｘｅｒ.ＴｈｅｃｒｙｓｔａｌｇｒｏｗｔｈｋｉｎｅｔｉｃｓｏｆＨＮＳ￣ｂａｓｅｄｐｏｌｙｍｅｒｂｏｎｄｅｄｅｘｐｌｏｓｉｖｅｓｗｅｒｅｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄｂａｓｅｄｏｎｍｅａｓｕｒｅｄｐａｒｔｉｃｌｅｓｉｚｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｄａｔａ.Ｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｔｈｉｃｋｎｅｓｓａｎｄｏｐｔｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｂａｒｉｕｍｃｈｒｏｍａｔｅｃｒｙｓｔａｌｓꎬａｃｏｍｍｏｎｌｙｕｓｅｄｏｘｉｄａｎｔｉｎｄｅｌａｙａｇｅｎｔｓꎬｗａｓａｎａｌｙｚｅｄｂａｓｅｄｏｎａｍｉｃｒｏｐｏｒｏｕｓｍｉｘｅｒ.Ｔｈｅｓｙｓｔｅｍｈａｓｇｏｏｄｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｉｔｉｅｓａｎｄｐｒａｃｔｉｃａｌｉｔｉｅｓ.[ＫＥＹＷＯＲＤＳ]　ｍｉｃｒｏｆｌｕｉｄｉｃꎻｅｎｅｒｇｅｔｉｃｍａｔｅｒｉａｌꎻｐｒｏｃｅｓｓａｎａｌｙｓｉｓꎻｏｎｌｉｎｅｄｅｔｅｃｔｉｏｎ０　引言含能材料的晶体结构形态是影响其能量释放、安定性、相容性、力学与环境适应性的重要因素[１￣３]ꎮ获得综合性能优异的含能材料晶体的关键因素之一ꎬ是对结晶过程进行可视化的实时检测ꎬ从而使结晶过程清晰可控[４￣５]ꎮ众多研究表明ꎬ对含能材料结第５３卷　第１期爆　破　器　材Ｖｏｌ.５３　Ｎｏ.１　２０２４年２月ＥｘｐｌｏｓｉｖｅＭａｔｅｒｉａｌｓＦｅｂ.２０２４

布置成涡结构微混合器内的流动与混合特性

第６４卷第７期　２０１３年７月　化工　ＣＩＥＳＣ　学报　Ｊｏｕｒｎａ１　Ｖｏ１．６４　Ｊｕｌｙ　ＮＯ．７　２Ｏ１３　

布置成涡结构微混合器内的流动与混合特性　

李　健，夏国栋　（北京工业大学环境与能源工程学院，强化传热与过程节能教育部重点实验室　暨传热与能源利用北京市重点实验室，北京１００１２４）　

摘要：基于成涡结构强化混合原理设计了一种改进型的平面被动式微混合器。采用商业软件ＣＦＩ￣ＡＣＥ＋对该结　构微混合器的混合特性进行了三维数值模拟和结构优化，进一步揭示该微混合器结构对通道内流体流动与混合　特性的影响。结合混合通道内流体的浓度和流型分布的数值和实验结果可知，该新型微混合器在布置成涡结构　的弯曲通道内形成了扩展涡、分离涡和Ｄｅａｎ涡，实现了涡系的叠加和强化，加大了流体间的扰动，从而增加了　流体的接触面积强化混合；在综合考虑流体混合强度和压降分布等因素下，成涡结构正向布置且缝宽比ｗ　／ｗ＝　１／４，厚宽比Ｂ／Ｗ＝３／１０，布置角度０　一１２０。的该微混合器在较广Ｒｅ范围内的混合效果显著。　关键词：微混合器；成涡结构；弯曲通道；结构优化　ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．０４３８—１１５７．２０１３．０７．００４　中图分类号：ＴＱ　０２７．１　文献标志码：Ａ　文章编号：０４３８—１１５７（２０１３）０７—２３２８—０８　

Ｆｌｕｉｄ　ｆｌｏｗ　ａｎｄ　ｍｉｘｉｎｇ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｉｎ　ｍｉｃｒｏｍｉｘｅｒ　

ｗｉｔｈ　ｖｏｒｔｅｘ—ｇｅｎｅｒａｔｅｄ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ　

ＬＩ　Ｊｉａｎ，ＸＩＡ　Ｇｕｏｄｏｎｇ　（Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｏｆ　Ｅｎｈａｎｃｅｄ　Ｈｅａｔ　Ｔｒａｎｓｆｅｒ　ａｎｄ　Ｅｎｅｒｇｙ　Ｃｏｎｓｅｒｖａｔｉｏｎ，Ｍｉｎｉｓｔｒｙ　ｏｆ　Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ。Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　ａｎｄ　Ｅｎｅｒｇｙ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１００１２４，Ｃｈｉｎａ）　

基于分合式混合单元的微混合器设计与研究

第２８卷第４期　２０１１年４月　机　电　工　程　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ＆Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｖ０ｌ｜２８　Ｎｏ．４　Ａｐｒ．２０１１　

基于分合式混合单元的微混合器设计与研究木　

谢海波，赵新泊　

（浙江大学流体传动及控制国家重点实验室，浙江杭州３１００２７）　

摘要：为实现微尺度下流体的快速均匀混合，基于对流体的分割、合并实现流体间接触面积指数式增长的原理，提出了一种分合式　（ＳＡＲ）混合单元，通过仿真对其支路夹角进行了优化，并最终确定支路夹角０＝７０。。利用成熟的标准ＳＵ一８光刻及ＰＤＭＳ制作工　艺，制作了分合式与组合分合式两种微混合器。采用甘油一水按体积比５：９５（０．０００　９７　Ｐａ・ｓ）混合而成的溶液对两种微混合器和　斜阻块式微混合器进行了实验（Ｒｅ＝０．０５２—２０）。实验结果表明，斜阻块式微混合器在　≥１．２３时，混合长度超过２０　ｍｍ，而分合　式微混合器最大混合长度约７．６　ｍｍ，组合分合式微混合器的混合性能最好，其最大混合长度约为５．４　ｍｍ。设计的分合式和组合分　合式微混合器制作方便，易与微流体系统集成。　关键词：微流体；被动式微混合器；分合式　中图分类号：ＴＨ１６２　文献标志码：Ａ　文章编号：１００１—４５５１（２０１１）０４—０３９７—０６　

Ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　ｍｉｃｒｏｍｉｘｅｒ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　

ｓｐｌｉｔｔｉｎｇ　ａｎｄ　ｒｅｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ　ｍｉｘｉｎｇ　ｕｎｉｔ　

ＸＩＥ　Ｈａｌ—ｂｏ，ＺＨＡＯ　Ｘｉｎ—ｂｏ　

（Ｓｔａｔｅ　Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｏｆ　Ｆｌｕｉｄ　Ｐｏｗｅｒ　Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ａｎｄ　Ｃｏｎｔｒｏｌ，Ｚｈｅｊｉａｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ　３　１００２７，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｒｅａｌｉｚｅ　ｑｕｉｃｋ　ａｎｄ　ｕｎｉｆｏｒｍ　ｍｉｘｉｎｇ　ｏｆ　ｍｉｃｒｏ　ｓｃａｌｅ，ａ　ｓｐｌｉｔｔｉｎｇ　ａｎｄ　ｒｅｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ（ＳＡＲ）ｍｉｘｉｎｇ　ｕｎｉｔ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｏｆ　ｆｌｕｉｄ　ｓｐｌｉｔｔｉｎｇ　ａｎｄ　ｒｅｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ　ｗａｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｉｔｓ　ｂｒａｎｃｈ　ａｎｇｌｅ　０　ＷａＳ　ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ　ｂｙ　ｆｌｕｅｎｔ　ａｎｄ　０＝７０。ｗａｓ　ｃｈｏｓｅｎ　ａｓ　ｔｈｅ　ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ　ｓｔｒｕｃ—　ｔｕｒｅ　ｐａｒａｍｅｔｅｒ．Ｔｈｅ　ＳＡＲ—ｍｉｃｒｏｍｉｘｅｒ　ａｎｄ　ｃｏｍｐｏｕｎｄ－ＳＡＲ—ｍｉｃｒｏｍｉｘｅｒ（ＣＳＡＲ—ｍｉｃｒｏｍｉｘｅｒ）ｗｅｒｅ　ｆａｂｒｉｃａｔｅｄ　ｂｙ　ａ　ｓｔａｎｄａｒｄ　ｐｈｏｔｏｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｉｃ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ｗｈｉｃｈ　ｉｓ　ｍｕｃｈ　ｅａｓｉｅｒ　ｔｈａｎ　ｔｈｅ　ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｓｏｍｅ　３Ｄ　ｍｉｃｒｏｍｉｘｅｒ．ＳＡＲ－ｍｉｃｒｏｍｉｘｅｒ，ＣＳＡＲ—ｍｉｅｒｏｍｉｘｅｒ　ａｎｄ　ｓｌａｎｔ　ｂｌｏｃｋ　ｍｉｃｒｏｍｉｘｅｒ　（ＳＢＭ）ｗｅｒｅ　ｔｅｓｔｅｄ　ｕｎｄｅｒ　Ｒｅ＝０．０５２～２０，ｕｓｉｎｇ　ｔｈｅ　ｍｉｘｔｕｒｅ　ｏｆ　ｇｌｙｃｅｒｏｌ　ａｎｄ　ｗａｔｅｒ　ｗｉｔｈ　ｖｏｌｕｍｅｔｒｉｃ　ｒａｔｉｏ　５：９５（０．０００　９７　Ｐａ・Ｓ）．Ｔｈｅ　ｔｅｓｔ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ，ｍｉｘｉｎｇ　ｌｅｎｇｔｈ　ｏｆ　ＳＢＭ　ｉｓ　ｌａｒｇｅｒ　ｔｈａｎ　２０　ｍｍ　ｗｈｅｎ　Ｒｅ≥１．２３，ｉｎ　ｃｏｎｔｒａｓｔ，ｍａｘｉｍｕｍ　ｍｉｘｉｎｇ　ｏｆ　ＳＡＲ—ｍｉｃｒｏｍｉｘｅｒ　ｉｓ　ｏｎｌｙ　７．６　ｍｍ　ａｎｄ　ＣＳＡＲ—ｍｉｃｒｏｍｉｘｅｒ　ｗｈｉｃｈ　ｉｓ　ｔｈｅ　ｍｏｓｔ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　ｉｓ　ａｂｏｕｔ　５．４　ｍｍ．ＳＡＲ—ｍｉｅｒｏｍｉｘｅｒ　ａｎｄ　ＣＳＡＲ—ｍｉｃｍｍｉｘｅｒ　ｓａｎ　ｂｅ　ｅａｓｉｌｙ　ｒｅａｌｉｚｅｄ　ａｎｄ　ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　ｔｏ　ｍｉｃｒｏｆｌｕｉｄｉｅ　ｓｙｓｔｅｍｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｍｉｃｒｏｆｌｕｉｄ；ｐａｓｓｉｖｅ　ｍｉｃｒｏｍｉｘｅｒ；ｓｐｌｉｔｔｉｎｇ　ａｎｄ　ｒｅｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ（ＳＡＲ）　

一种基于多重涡流新型微混合器的设计与实验

１　１８　传感器与微系统（１ｒｒ叽ｓｄｕｃｅｒ　ａｎｄ　Ｍｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ）　２０１３年第３２卷第９期　

一种基于多重涡流新型微混合器的设计与实验　

陈方璐，常洪龙，洪水金，叶芳　

（西北工业大学空天微纳教育部重点实验室，陕西西安７１００７２）　

１～　‘　１　‘　・　ｎ　‘　●　●　ＯｅｓｉＲｎ　ａｎｄ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ［ｏｒ　ａ　ｎｏｖｅｌ　ｍｌＣｒ０ｍｌＸｅｒ　

ｂａｓｅｄ　０ｎ　ｍｕｌｔｉｐｌｅ　ｖｏｒｔｅｘ　

微流体混合器的设计综述

摘要近年來，微流控技术发展迅速，在生化分析、药物开发、医学检测等领域有较大的影响力。微混合器是微流控芯片的重要组成部分，对微流控芯片在各领域的应用效果有着至关重要的作用。被动式微混合器因其具有成本低、易清洗、不易破坏生化试剂等优点而倍受欢迎。本综述介绍了被动式微混合器的工作机制。通过本综述希望能为被动式微混合器的设计与应用提供新思路。

关键词微混合器；被动式；层流；涡流

引言

微混合器目前主要分为两种：主动式和被动式微混合器。主动式混合器主要通过电场、磁场和声波等外部施加的刺激来促进液体混合。主动式微混合器的优点在于利用外加能量源刺激流体，打破混合通道中流体的层流状态，增强湍流，提高混合效率。但该能量源对反应体系造成破坏，成为其应用的制约因素。被动式混合器主要是通过微通道中几何图形的变化诱导复杂的流体运动，实现适当的混合。被动式微混合器不会干预生化反应，在生物分析和化学反应中有着广泛的应用。本文主要从被动式微混合器的设计方法进行分析，为被动式微混合器的设计和应用提供依据。

1 被动式微混合通道的设计方式

当不同液体在微混合通道内进行混合时，混合方式主要依赖分子扩散，时间越长，混合效率越高。被动式微混合器一般包括2D和3D微混合器，2D微混合器由于其易制造的优点在微流控系统中得到广泛应用。3D结构的微混合器设计复杂且不易清洗，但混合效果一般优于2D微混合器。被动式微混合器的混合机制一般有层流和涡流。

1.1 基于层流的混合机制

层流方式一般存在于Re较小时，通过分子间的扩散进行混合。2D微混合通道最常见是T/Y型微混合通道。T型混合通道最初是由Kockmann N等[1]提出来的。为了改善层流状态的混合效率，Wang WT等人[2]利用晶格玻尔兹曼方法通过增加入口的个数以及调整流量及每个入口的宽度来实现快速混合。经模拟显示，随着入口数量的增加和入口流体流速的加快，混合效果有明显提高。

多重涡杆式管道混合器的开发与应用

改造与更新　文章编号：１６７１—０７１　１（２０１３）０８—００５１—０２　多重涡杆式管道混合器的开发与应用　

李承伦　（鞍山澄昊环保科技有限公司，辽宁鞍山　１　１４０１８１　摘要：针对常用管式静态混合器作用时间短、混合效果不佳的问题，开发了新型多重涡杆式管道混合器，　取得了良好的混合效果。　关键词：水处理；管道混合器；多重涡杆　中图分类号：ＴＱＯ５１．７　１　文献标识码：Ｂ　

长期以来，在给排水和环保工程中对投　加各种混凝剂、絮凝剂、液氯及酸碱中和等　水处理中，所使用的管道混合器一般由３节混　合单元组成，每节混合单元为１个１８０。扭曲　的固定螺旋叶片（或９０。交叉插板叶片），分左　旋和右旋两种。相邻两节中的螺旋叶片旋转　方向相反并相错９０。的管道混合器也称管式　加药口　螺旋叶片挡水杆外套筒　固定轴　

静态混合器，是处理水与各种药剂实现瞬间混合的设备，　水流通过管道混合器会产生分流、交叉混合和反向旋流作　用，使加入的药剂扩散到整个水体中，以达到瞬间混合的　目的。　在实践中，由于被混合的物料或介质的运动速度快，　在管道混合器中作用时间短，因此，并没有达到瞬间混合　的目的，流体的流动分割、径向混合效果不好，很难达到　最佳的混合目的，造成药剂的浪费，这无疑大大地增加了　工厂的生产成本。　鞍山澄昊环保科技有限公司为此开发了新型多重涡杆　管道混合器，取得了显著效果。　１．多重涡杆式管道混合器构造（图１）及原理　螺旋叶片杆示意图　图１多重涡杆管道混合器构造示意图　多重涡杆式管道混合器一般由２节混合单元组成ｆ相邻两　节中的螺旋叶片旋转方向相反）。其模块式设计也可根据用　户的要求及混合介质的特性增加节数。每节混合单元外壁　为圆管状密闭状态，开有进出水口，在外管进水口后开有　加药孔，管道内为１条不间断的实体叶片缠绕结合在中心轴　上的螺旋叶片轴（现用：左右各３０个螺旋片、叶片螺旋角　３５。）。实际工作中可根据流量、流速的大小来确定管的直　径、螺距、螺旋角度等参数，叶片的外圆与管道混合器的　内壁配合，产生一条不间断的螺旋状、截面约呈矩形的腔　室，在叶片不同的直径位置上，平行于轴向每相邻９Ｏ。依　次安装１根一２根一ｌ根一２根的圆杆。　当高速水泵输送高流速的水（或其它液体）同加药装置送　（３）改造后皮带寿命由２个月提高到６个月，则１年可节约　费用为１２．５万元。　（４）节约待机费用：因为故障共影响生产１０２ｈ，按照每　小时输送１　２００ｔ，混匀矿加工成本４．１元／ｔ计算，净增效益为　５０．１万元　以上几项合计节约费用为１３５．７万元　参考文献：　［１］ＤＴ　ｌＩ（Ａ）型带式输送机设计手册［Ｍ】．北京起重运输机械研究所，　２００３ｌ８．　收稿日期：２０１３—０２—０６　［编辑：刘雷】　２ｏ１３ｍ８ｆ］　ｌ中国设备工程　５１

基于厚度剪切振动的压电圆盘微陀螺的制作和分析

２０１３年第３２卷第９期　传感器与微系统（Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ　ａｎｄ　Ｍｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ）　１１５　

基于厚度剪切振动的压电圆盘微陀螺的制作和分析　

关冉，张卫平，许仲兴，张　弓，成宇翔，陈文元　

（上海交通大学微纳科学技术研究院微米／纳米加工技术重点实验室，上海２００２４０）　

摘要：基于面内振动模态工作的圆盘陀螺在利用压电方式驱动和检测时，需要在圆盘振动体侧壁上加　工压电换能器，很难由ＭＥＭＳ工艺实现。为实现压电圆盘陀螺的小型化，设计制作了一种直接由压电材　料作为振动体，基于厚度剪切振动模态工作的新型压电圆盘微陀螺。厚度剪切振动模态使得陀螺可以通　过在压电基片上下表面制作金属电极的ＭＥＭＳ工艺进行加工。通过对加工出的陀螺器件进行阻抗分析　发现加工出的陀螺具有良好的对称性，基于阻抗分析得到的品质因数通过有限元分析可知，陀螺可实现高　灵敏度、低非线性度、大量程、低角速度耦合误差等性能。　关键词：压电；圆盘谐振体；微机械陀螺；厚度剪切振动；ＭＥＭＳ工艺　中图分类号：ＴＮ３８９；ＴＨ７１２　文献标识码：Ａ　文章编号：１０００－－９７８７（２０１３）０９－－０１１５－－０３　

１—　１　‘　－－　＇　’　‘　ｎ　●　■　Ｊ　■　１●　１　●　ｔＩ’ａＤｒｉｃａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ａｎａｌｙｓｉｓ　０ｔ　ＤｌｅＺ０ｅＩｅＣｔｒｌＣ　ｃＩＩＳＫ　ｍｌｃｒｏ　ｇＹｒｏｓｃｏｏｅ　

１　＇　・ｌ　・　＿　ｌ　●１　』●　半　ｂａｓｅｄ　Ｏｎ　ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ－ｓｈｅａｒⅥＤｒａｎ０ｎ　

ＧＵＡＮ　Ｒａｎ，ＺＨＡＮＧ　Ｗｅｉ—ｐｉｎｇ，ＸＵ　Ｚｈｏｎｇ－ｘｉｎｇ，ＺＨＡＮＧ　Ｇｏｎｇ，ＣＨＥＮＧ　Ｙｕ—ｘｉａｎｇ，ＣＨＥＮ　Ｗｅｎ—ｙｕａｎ　（Ｎａｔｉｏｎａｌ　Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　Ｏｉｌ　Ｎａｎｏ／Ｍｉｃｒｏ　Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｍｉｃｒｏ／Ｎａｎｏ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ　Ｊｉａｏ　Ｔｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ　２００２４０，Ｃｈｉｎａ）　

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