微螺旋混合器的混合实验研究及数值模拟分析

　　随着微机电系统(MEMS)的迅速发展,微混合器中流动、混合的研究也得到广泛重视和迅速发展.微混合器主要分主动式微混合器和被动式混合器[1].Y K Lee等[2]的压力扰动型微混合器等属于主动式;MichaelHeim等[3]的T型、刘素芬等[4]的SOR微型混合器等属于被动式. MichaelHeim等[3]采用通用商业CFD软件对T型微混合器进行了数值模拟;刘素芬等[4]对SOR微型混合器进行了流场仿真.实验和数值模拟相结合是目前比较理想的方法.由于流体在微尺度下的流动是低雷诺数的层流动,单靠分子扩散难达到理想的混合效果.因此本文设计一种被动式的微螺旋混合器,它结构简单,没有设置专门的扰流装置,而是利用高速液体自身的绕流动,达到比较好的混合效果.

　　1　实验研究

　　1. 1　微螺旋混合器的设计

　　图1是微螺旋混合器结构示意图.从图1中可以看出该微混合器由上、中、下3部分组成.上面是40 mm×13 mm×2·5 mm的有机玻璃;中间的有机玻璃(40mm×13mm×0·2mm)上加工一个直径为5 mm的孔和两直径0·2 mm入口孔相切;下面的有机玻璃板(40 mm×13 mm×4 mm)的中心加工一个直径为0·2mm,深2mm圆孔,并与侧面加工一个直径为0·2 mm,深6·5mm圆孔相通. 3块有机玻璃用进口美国的UV类型的3320黏合剂黏合.这样就形成一个直径5mm高0·2mm的混合腔. 3320黏合剂具有很薄、透明、水性等特点,但最重要的是,它是要经过紫外线的照射才能保证黏合出比较好的模型.这样就形成直径5 mm高0·2 mm的微混合器,在高度上的特征尺寸属于微流动的范畴.

　　1. 2　实验过程

　　本实验采用罗丹明B溶液和去离子水[3]作为混合液体.先配质量分数为5%的罗丹明B溶液作为母液,定义为相对100%的质量分数.再用母液分别配质量分数为0%、10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%的罗丹明B溶液,标样图像如图2所示.图3为系统示意图.用微泵分别把罗丹明B溶液从A孔中打进,去离子水从B孔中打进.两液体在混合腔中混合,从C孔流出(如图3所示).用带有ccd的体显微镜实时拍摄混合过程的图片保存在电脑里,用图像处理软件处理图片和获取灰度值.

　　1. 3　实验结果

　　为获得罗丹明B溶液质量分数和灰度值的关系,为判断混合后的混合效果提供依据,分别把11个质量分数为0%至100%的罗丹明B溶液标样装在11个结构如图4示的容器里.罗丹明B溶液标样容器的尺寸和微螺旋混合器一样,只是无微螺旋混合器中的C出口.这样排除了不同厚度的有机玻璃对光的影响,从而使相应的罗丹明B溶液对应的的灰度值有可比性.