磁性微混合器混合性能的实验研究

　　1　引　言

　　目前,国际上已有的不同类型微流体混合器可分为主动混合器和被动混合器两类。对于被动混合器,由于微流器件的尺寸很小,Reynolds数非常小,流体处于层流状态,流体间的混合基本上依赖于扩散,所以混合效果不甚理想。虽然也有各种加速扩散的措施和方法,如R.H.Liu等^[1]研制的三维蛇型管道混合器;A.D.Stroock等^[2]根据混沌混合原理设计了鱼刺型微混合器;R. J. Wang等^[3]设计和模拟了一种能将流体分层的被动式微混合器,这些微混合器是利用流体扭曲拉长而增加流体接触的面积而加强流体间的扩散。然而,这些通道的制造有较大的难度,而且流体的应变率增大。主动式混合器是利用外力破坏流动的层流状态,其目的都是为了在最短时间内实现微尺度下低Reynolds数流体的快速均匀混合。如C.M.Ho^[4]和F.Koji等^[5]在芯片中预埋电线,当电线中通上电流,产生磁场,使磁性颗粒的受力变化,从而改变流场达到加速混合的目的。R.Rong等^[6]研制了有3组磁头的微混合器,安排好磁头的信号可以产生旋转磁场,从而改变磁珠的运动轨迹,加强流体的混合。M.Gru2mann^[7]等在一个圆形通道周围某些固定的位置放置永磁铁,使流经的磁性颗粒受力而改变流动方向,破坏层流状态。但只有在某个流体组分中含磁性颗粒情况下这些方法才适用。

　　本文的目的是用聚合的磁流体在旋转磁场作用下的运动,来破坏流体的层流状态,产生混沌对流而加强流体间的混合,并对磁场强度、旋转频率和入口流量等对混合效率的影响进行实验研究,弄清哪些因素会对混合效率产生什么样的影响,为磁性微混合器的设计提供基础。

　　2　磁性微混合器基础

　　2.1　磁流体的制备

　　分别配制0.4mol/L的FeCl350ml和FeCl230ml水溶液,将两种溶液混合搅拌,然后在封闭环境下边充分搅拌边滴加25%的NH4OH溶液7.5~8ml,继续充分搅拌30min,静置,溶液中的粒子在过量的NH4OH作用下沉淀,倾出上层清液,并用去离子水洗涤沉淀3~5次,最后用乙醇清洗一次,加入0.5ml的油酸后充分搅拌15min,分散到40ml的煤油得到不同颗粒浓度的磁流体^[8]。

　　2.2　旋转磁场下磁性流体的动力学特性

　　研究磁力和粘性力的相互竞争,须引入无量纲参数—Mason数,它是衡量磁力和粘性力关系的参数,Mason数[9]定义为:

　　式中η为动力粘度,ω为旋转磁场频率,M为粒子磁化强度,μ0为真空导磁率。

　　根据文献[10]实验结果和以上的理论推导可知,聚合链长度和相位差与旋转速度(或频率,或Mason数)的关系有两种不同的表现,其转捩点为临界速度或频率,大约在Mason=1的地方,当旋转频率大于临界频率时,粘性力占主导地位,制约了粒子的聚合,粒子聚合明显下降,而相位差则基本不变。反之,当Mason数小于此值时,磁力占主导地位,粒子会迅速聚集形成长链,相位差则随外磁场的旋转频率(也即Mason数)增大而几乎线性增大。