（生物医学工程专业论文）微流体混合影响因素数值分析.pdf

a b s t r a c t m i c r o f l u i d i cc h i p st e c h n o l o g yi sb e c o m i n gah o t s p o ts t n d ya c ao fa n a l y s i s s c i e n c e 。s u c c e s s f u l l ya p p l i e di na n a l y t i c a lc h e m i s t r y , l i f es c i e n c e s ，e t e m i c r o m i x e ri s i t si m p o r t a n tc o m p o n e n ta n df u n c t i o n a lm o d e a sf o rm i c r om i x i n g r e a c t i o ns y s t e m s ， t h er e a c t i o ne f f i c i e n c yd e p e n d so nm i x i n g ，t h e r ei sn oc o m p l e t er e a c t i o nw i t h o u t s u f f i c i e n tm i x i n g , a n dm i x i n gt i m eb e c o m e sab o a l e n e c kf o rr e a c t i o ne v e nf o rt h e w h o l es y s t e ma n a l y s i s h i g i le f f i c i e n c yo fm i x i n gu n d e rm i c r os c a l ei s s i g n i f i c a n t a n d h o wt oa c h i e v eh i g he f f i c i e n c yo fm i x i n gi so n eo fi m p o r t a n tr e s e a r c hs u b j e c t s n o wv a r i e dm i c r o m i x e r si sp r e s e n t e d ，d e s i g n e db yd i f f e r e n tt h e o r y , s u c ha ss e r i a l m i c r o m i x e r , c h a o t i cm i c r o m i c e r , e t e b u tas u m m a r i z e dt h e o r yo re x p e r i e n c eh a s n t b e e nm a d ey e tf o rd e s i g n i n ga n de x p e r i m e n t al o to ff a c t o r sh a v ei n f l u e n c eo n m i c r o f l u i d i cm i x i n g a sm i c r o c h a n n e lb ec o n c e r n e d ，t h e r ea r et h r e ei m p o r t a n tf a c t o r s ， t h e s h a p eo fc r o s s - s e c t i o n ，f l o wv e l o c i t yp r o f i l e ，a n d t h e s h a p eo fm i x i n g m i c r o c h a n n e l t h i sp a p e ra i m st oa n a l y s e st h e s ef a c t o r si n f l u e n c eo i lm i c r o f l u i d i c m i x i n gt h r o u g hn u m e r i c a ls i m u l a t i o n 1 i n f l u e n c e o fc r o s s - s e c t i o ns h a p eo nm i c r o f l u i d i cm i x i n g m a i n l ya n a l y s e s i n f l u e n c eo fv a r i a n tc h a r a c t e r i s t i cl e n g t hu n d e rs a m ed i f f u s i o nd i s t a n c e ，a n dw h i c hi s t h eb e s tc h o i c ef r o ms q u a r e ，c i r c u l a r , a n de q u i l a t e r a lt r i a n g l e t h er e s u l t ss h o wt h a t e q u i l a t e r a lt r i a n g l ei st h eb e s t 2 i n f l u e n c eo ff l o wv e l o c i t yp r o f i l eo nm i c r o m i x i n g t h em i x i n ge f f e c t sf o r t h r e ef l o wv e l o c i t yp r o f i l e s ，p a r a b o l a ，p l u g l i k ea n dc o n c a v e ，a r cc o m p a r e d t h e r e s u l t ss h o wt h a tt h ep a r a b o l av e l o c i t yp r o f i l ep r o d u c e db yp r e s s u r ed r i v e ns y s t e mi s t h eb e s tc h o i c ef o rm i c r o m i x i n g i ti sd i f f e r e n tf r o mt r a d i t i o n a lt h i n k i n g 3 i n f l u e n c eo f m i c r o c h a n n e lf i g u r eo nm i c r o m i x i n g i tm a i n l ya n a l y s e si n f l u e n c e o f d i f f e r e n ta n g l e so f t u r n sa n dt h ec o m b i n e dt u r n s ，a n dt h es h a p eo f s i n u o u sc h a n n e l ， s u c ha sf o l d e d ，a r c ，s t r a i g h tt u r n i n g i naw o r d ，m i c r o m i x e ri sa ni m p o r t a n ts t u d ys u b j e c t t h i sp a p e rs t u d i e so f ft h e i n f l u e n c ef a c t o r so fm i c r o f l u i d i cm i x i n gf r o mt h r e ea s p e c t s ，c r o s s s e c t i o ns h a p eo f m i c r o c h a n n e l ，f l o wv e l o c i t yp r o f i l ea n df i g u r eo fm i x i n gc h a n n e l ，t h r o u g hn u m e r i c a l s i m u l a t i o n ，a n dd r a w ss o n i cc o n c l u s i o n sf o rd e s i g n i n go fm i c r o c h a n n e la n do p e r a t i o n o f e x p e r i m e n t k e yw o r d s ：m i c r o f l u i d i cc h i p s m i c r o m i x e r , n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 。f l o w v e l o c i t yp r o f i l e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本入在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨盗盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：余漪热签字日期：五影年，月：；日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采丹j 影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：余沧燕 签字日期：2 刀g 年，月弓日 天津大学硕士学位论文微流体混合影响因素数值分析 i i 微流控芯片概述 第一章绪论 随着分析仪器技术的不断发展以及生命科学发展的需要，分析仪器的一个日 益明显的发展趋势就是集成化、微型化和便携化。微机电加工 ( m i c r o e l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m s ，m e m s ) 为分析仪器的微型化提供了便利的条 件，在这一基础上，m a n z 和w i d m e r 提出了以m e m s 为基础的微全分析系统 ( m i n i a t u r i z e dt o t a la n a l y s i ss y s t e m s ，或m i c r ot o t a la n a l y s i ss y s t e m s ，! a t a s ) i t 2 。 图l - i 是微分析系统的分类示意图，从中可以清楚地看出微流控分析技术在 微分析系统 徽阵列芯片( 生物芯片) li 微全分析系统 微流控芯片jl 非芯片系统 毛细管电泳芯片其他分离芯片反应器芯片细胞计数芯片集成化多功能芯片 图1 i 微分析系统及微流控芯片的分类 微化学分析中的地位。微流控分析系统的目的是通过化学分析设备的微型化与集 成化，最大限度地把分析实验室的功能整合到便携仪器的分析设备中，甚至集成 到方寸大小的芯片上。由于这种特征，本领域一个更广泛的通俗名称叫做“芯片 实验室”( l a b o n a - c h i p ，l o c ) 。它的实质是采用微加工方法在平板上制作出微 米级别的结构，通过试样和试剂在这些微结构或通道中的受控流动及混合完成试 样分析。 微阵列芯片始于2 0 世纪8 0 年代末，源于d n a 杂交法测序，目前己广泛应 用于分子生物学，疾病的预防、诊断和治疗，药物分析、筛选，环境污染监测等 诸多领域。此类芯片以微探针阵列为结构特征，专用性强，一般只能用一次。这 类芯片目前在国外已经实现了深度产业化，技术发展已经较为成熟。在国内得到 第一章绪论 国家较大的重视，形成了发展规划，得到较多的开发研究经费支持，从而得到较 大的发展。而微流控芯片主要是从分析化学领域发展起来的，始于2 0 世纪9 0 年 代初，以生命科学为主要应用对象，目前已在细胞培养、d n a 测序、临床诊断、 聚合酶链反应、免疫测定、蛋白质分析中得以应用1 3 - 5 。此类芯片以微管道网络 为结构特征，可完成样品进样、分析和检测等，可多次重复使用，具有更广泛的 适用性及应用前景。但微流控芯片的研究应用还处在比较初级的阶段，远未达到 可以大规模产业化的程度。 1 i 1 微流控芯片的特点 分析系统通过在微米级别通道与结构中实现微型化，不仅带来了分析设备尺 寸上的变化，而且在分析性能上也带来了众多的优点，微流控分析芯片的主要优 势如下： ( 1 ) 微流控分析芯片效率高：许多微流控芯片可以在数秒至数十秒时间内自动 完成测定、分离或其他更复杂的操作。分离分析速度常高于相对应的宏观分析方 法一至二个数量级。其高分析处理速度既来源于微米级通道中的高导热和传质速 率( 均与通道直径平方成反比) ，也直接来源于结构尺寸的缩小。 ( 2 ) 微流控分析的试样与试剂消耗已经降到了数微升水平，并随着技术水平的 提高，还有可能进一步减少。这既降低了分析费用和贵重生物试样的消耗，也减 少了环境污染。 ( 3 ) 用微加工技术制作的微流控芯片的微小尺寸使得多个部件与功能有可能 集成在数平方厘米大小的芯片上。在此基础上可制成功能齐全的便携式仪器，用 于各种现场分析。 “) 微流控芯片的微小尺寸使材料消耗甚微。当实现批量生产后芯片成本可望 大幅度降低，而有利于普及。 但是相应的，微型化也带来了一系列对器件的特殊要求和加工上的困难，有 一定的局限性。在目前发展阶段，微流控芯片仍然存在若干限制其发展的不利因 素，主要包括以下几个方面： ( 1 ) 作为o t a s 的主要发展前沿，当前微流控芯片系统在体积上不够“微”，功 能上也远远达不到“全”。主要原因是集成度不够高，多数检测器的体积过大，实 现集成化还有很长的路要走。 ( 2 ) 在目前加工条件下微流控芯片的加工制作的成本还难以满足有关成果推 广应用的要求。块供研究用的标准玻璃芯片售价1 0 0 2 0 0 美元，一块供分析 1 2 个试样的一次性专用芯片售价约l o 美元。 2 天津大学硕士学位论文微流体混合影响因素数值分析 ( 3 ) 当前报道的大部分微流控芯片分析系统不包括试样的前处理功能，即功能 不够全，为了解决实际试样的分析，这方面的研究尚需在实用领域的使用过程中 大大加强。 1 1 2 微流控芯片的应用领域及发展现状 生物医学是当前微流控芯片的主要应用领域，针对人类基因与疾病关系的研 究，研制超过生物芯片某些性能的用于单核苷酸多态性( s n p ) 检测、d n a 测序及 后基因组时代的蛋白质测序的毛细管电泳微流控芯片是当务之急。用于临床检验 的微流控芯片在我国将拥有广泛的市场。新药物的合成与筛选是微型全分析系统 另一个可发挥重要作用的领域。由于微型化及在线测定等优点，筛选过程可大大 加速，费用大大降低。微流控分析芯片在新一代药物问世的过程中将可能起到至 关重要的作用。其它重要应用领域包括食品和商品检验、环境监测、刑事科学、 军事科学以及航天科学等。由于微全分析系统的目标是取代常规分析实验室的所 有功能，因而其应用领域迸一步扩大到化学成分分析的所有方面只是时问问题。 微型全分析系统的研究除涉及到大量的微加工技术和芯片材料的内容外，还包括 广泛的基础理论和应用基础内容。例如微米通道中的传质、导热、吸附及微区反 应规律等。许多分析化学的传统理论在微、纳米尺度下将面临挑战而需要深入研 究。 从目前的发展水平来看，微流控分析芯片已经突破其发展初期在加工技术以 及基本流控技术上的难关，正在进入一个开展更深入的基础研究、应用范围广泛 扩大的领域。微流控芯片目前的主要应用领域是生命科学领域，因此一些生命科 学仪器公司已经准备把微流控技术应用到产品中，但是其中仅有德国的s t e a g m i c r o p a r t sg r a b h 公司和美国的c a l i p e r 公司在2 0 0 4 年取得了超过百万美元的销 售额，而且其中的产品还是主要应用于药理学以及宅命科学等领域的学术研究 中。在国内，也有浙江大学研制的集成化微流控芯片氨基酸分析仪以及大连化物 所研究的“微流控芯片生产工艺与表面修饰技术”和“系列微流控芯片分析仪”都 已经通过了中国科学院组织的专家鉴定。 1 1 3 微流控芯片的理论研究 微流控理论的研究，有助于解释和优化现有的微流控系统，指导新系统的设 计，发展更为复杂的微流控系统，适应应用领域方面越来越高的要求。目前在微 系统内的扩散、层流、传热等一系列尺度效应，门式、夹流、窄通道、光门进样 第一章绪论 等各种方式的进样系统，电渗驱动系统以及弯道效应等方面取得了一定的成果。 但微流控分析领域正处于起步时期的蓬勃发展阶段，技术的发展领先于理论，文 献报道了大量的微流控系统，而在理论方面还未出现可用来指导微流控系统的统 一的、完善的理论。这一问题已逐渐被人们认识，理论研究已成为微流控分析重 要的研究方向之一。 当前微流控技术理论研究的一个重要动向是将流体力学中的重要研究手段 即计算机模拟仿真技术应用于微流控系统中。将理论分析、数值模拟、具体实验 三方面紧密结合起来。数值模拟一方面可以与理论分析结合，更好地指导实践， 另一方面也可以对理论和实践进行验证、确认。利用模拟仿真的结果可帮助研究 解释现有微流控系统的控制机理，预测新设计芯片构型的可行性，定量分析影响 系统的主要因素及其影响程度、方向，指导新的微流控系统的设计。通常其过程 是首先在现有的理论分析指导下，建立表征特定微系统的数学模型，然后利用计 算机模拟仿真技术，根据数学模型给出微系统的有关模拟结果，利用理论模拟结 果可指导通道构型的设计或对系统的实验条件进行优化，或将理论与实验结果对 照，对现有理论作出修正。在进样系统和弯道效应的研究方面，充分展示了计算 机模拟仿真的重要作用。e r m a k o v 等【6 - 7 模拟“十”字进样通道内电渗流的流场 分布以及相应的电场分布，利用模拟结果优化实验条件、最佳聚焦电压，以使试 样浓度与试样带宽度之比达到最大；g r i f f i t h s 等1 8 - 1 0 l 对电泳、电渗分离体系中弯 道效应进行数值模拟，弯道处内侧的液流速度比外层的液流速度快、电场分布不 均匀，并依此提出了一系列解决弯道效应的理论原则，提出了特殊的管道细化处 理、分离通道构型、弯道表面修饰等等。数值模拟在微流控技术理论研究方面发 挥了很大作用。 1 2 微混合器 目前微流控芯片的两种主要作用形式：一是分离分析，二是混合反应。微混 合器是微流控芯片的重要组成部分，实现微尺度下分子级的流体混合，广泛地应 用于生物分析、化学检测等领域。液流混合是众多微流体设备的必要过程，例如， 不同生物医学和生物化学过程都包括液流混合，d n a 的提纯，聚合酶链式反应 ( p c r ) ，酶反应、蛋白质折叠等。这些过程的效果依赖于样品和底物的快速高 效混合。系统的微型化，通道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 成为决定反应的完成时问的决定因素，成为限制反应时间以至整个系统分析时间 4 天津大学硕七学位论文 微流体混合影响因素数值分析 的瓶颈，这一点对芯片分离系统中的柱前和柱后衍生化反应尤为重要。因此在微 尺度下如何实现流体的快速高效混合，是目前重要研究课题之一。 1 2 i 微混合器类型 在微观尺度下，由于表面积和体积比的急剧增大，表面力和粘性力的影响占 主导地位，惯性力的作用大大减弱，微管道中的流速一般很小( m m l s 级) ，属 于低雷诺数( r e ) 层流流动，因此，一般情况下，微观下不可能通过宏观中的“湍 流效应”来实现微流体的混合，而只能依靠流体分子的扩散作用。目前已经设计 了多种微混合器，形态各异，主要分为两类：一是主动式混合器，采用一些外力 作用或主动控制方式，通过可移动部件或变化的梯度作用于流域，进而达到混合 效果，其主要方法有：热对流，超声波和不同压力等，其优点是输入能量可调整， 易于控制，缺点是需要额外的能量及其产生部件，制作较为复杂，成本较高，难 以整合到整个系统中；二是被动式混合器，除了采用机械装置以不变的速度驱动 微流体外，没有施加额外能量，主要利用管道内表面三维结构，混合器中没有任 何可移动部件，其优点是制作较为简单，成本较低，但难以控制，且管道结构较 为复杂，会引起阻塞。两类可进一步细分，如图l - 2 所示l l l 】 微混合器 被动式混合器 到倒誊i 幽篷 主动式混合器 脉动微泵li 搅拌型微il 超声微l i 磁场促进il 电场促进 混合器 ll 混台器il 混合器l i 型混合器li 型混合器 图1 2 微混合器系统示意图 第一章绪论 1 2 2 微混合器混合原理 微流控系统不同于宏观体系的特殊性在于通道尺度的降低，使得其中的分子 扩散效应的影响变得非常显著。利用此效应有可能获得较快的混合。早期混合理 论的研究主要集中在如何拉长或剪切层流，例如两层流液流相对运动，扩展接触 面，或设计管道将流路增长，或是通过不断剪切、重组的办法形成多层结构等。 目前微混合器混合原理的研究主要集中在以下几个方面： ( 1 ) 分流混合原理 1 9 9 9 年b e s s o t h 等【i2 】在硅片双面加工微通道，有贯穿硅片的垂直通道连接两 面的微管道，形成夹层结构。双面加工的微通道呈二叉分形结构，不断将大通道 细分为两个均匀的小通道，最终形成1 6 分支的通道网络，如图1 3 。这种通道网 络构型实现了将两液流分别逐次分为1 6 分支，而后在垂直通道中首先进行两液 流各分支的两两汇流，最终汇合成总流。该系统死体积小，内部通道面积6 0 0 n l ， 在| 5 m s 的时间内液流能达到9 5 的混合。这一结果表明了对液流进行分流以形 成多个薄层液流再两两混合的方法是可行的，效果显著。分流混合理论证明将液 流分成n 个分支溥层液流，将使混合时间加快n 的二次方倍。 州a f _ 相i - q u 妇8 - 相i 岫喇 4 ( a ) 芯片构型图( b j 混合过“显傲荧光幽片 图1 3 分流式微混合器 ( 2 ) 对流机制 2 0 0 1 年h e 等【l m 设计了宽、窄两种通道构型的混合器，如图1 4 ，宽通道里 折线型结构，窄通道方向与整体液流流向平行，以旁路分流形式与宽通道相连， 在2 0 0 u r n 长的通道网络上1 秒钟内完成了完全混合。而在实验中观察到| 0 0 u m 宽、3 0 0 u m 长的汇流型混合器进行液流混合，混合程度很小。经过分析，大股液 流在折线型的宽通道内流动，在其流过混合器过程中，流动轨迹同时在横向( 多 次) 和纵向上穿越整个混合器。虽然电渗流的驱动方向为纵向，但宽通道从一侧 到另一侧的交替流动产生了纵向对流区域，而小股液流进入窄通道内流动，流经 不同的长度的通道，在出口又与大股液流交叉形式汇流。因此，此构型在利用窄 6 天津大学硕士学位论文微流体混合影响因素数值分析 通道的分子扩散效应的同时，在宽通道中产生对流混合，增强扩散效果。分析结 果说明在流动中引入对流将可大大增强混合程度。 b a 图t 4 对流微混合器 ( 3 ) 相似原理 2 0 0 1 年h e i m g a r m e r 等f 1 4 恨据大型工业混合器尺寸缩小比例与局部改进设计 的静态微混合器，不需要任何移动部件、外部激励，通过流体流过混合单元组成 的静态混合器，可得到自然混合。2 0 0 2 年l i a n g h s u a nl u 等 1 5 】根据大型磁力搅 拌器原理设计了微混合器，如图i 5 ，得到良好的混合效果。这些说明了通过流 体力学的量纲分析和相似原理，可以将宏观下的混合原理应用于微观下，在微米 尺度，一些宏观的流体流动规律在微观下仍然能够适用。 ( a ) 搅拌装置( b ) 混合效果比较 图i 一5 微磁搅拌器 “) 混沌理论 2 0 0 2 年s t r o o c k 等l l6 】利用浅浮雕技术在通道底部加工各种构型的凸脊，例如 直线型的、人字形的，凸脊与通道轴向成一定的夹角，如图l - 6 。在微通道内采 用压力驱动低雷诺数的液流，凸脊对于不同流向的低雷诺数流体具有不同的阻 力，与垂直流向的液流相比，沿与平行方向流动的液流受到凸脊的阻力较小，由 此产生液流在通道内的螺旋式流动，在微通道内部产生了横向液流混合。在增加 微通道内混合速度的方法上，该系统提供了一个与其他文献不同的新思路，即可 将混沌理论应用于微混合器设计中，并确实加速了混合过程。这一新思路促进了 微混合器的发展，人们从各个角度设法得到混沌现象。并且发现流体间产生混沌 对流时，扩散混合时问沿轴向成指数衰减，从而实现低雷诺数下的高效混合。 第一章绪论 图1 6 混沌混合器( a ) 管道内液流轨线( b ) 红绿液流混合( c ) 截面荧光图片 ( 5 ) 微尺度特殊效应 2 0 0 4 年j e s s i e am e l i n 等【l _ 7 l 设计了一种平面型的混合腔，腔内具有蜿蜒管道， 并在管道的底部打孔，根据两相流体的亲水性，疏水性设计了方形、菱形两种不 同的底部孔型，如图l - 7 。两种液流通过混合腔只需o 4 s 就可以得到均匀的混合， 比依赖扩散的混合时间减少了4 折。该系统提供了一种新思路，即利用微尺度下 的表面效应，在不需要任何外力驱动的情况下，由表面张力的作用完成混合。虽 然其样品体积有一定的限制，但充分说明微尺度下的微观作用效应将是微混合器 研究的新的方向。 t 州p m 图1 7 依据表面张力设计的微混合器 虽然目前已设计了各式各样的微混合器，但是理论研究方面还有很大的不 足，有待于进一步发展： 设计方法和思路各式各样，并不深透，还有待于更进一步的研究，而且也 没有形成统一的指导理论和经验规律。 在微尺度特殊效应作用的混合研究只是刚刚起步，尺度效应，边界条件， 表面效应、材料特性，液流特性等等，这些都将对流体流动产生一定的影响，需 深入探讨。 天津大学硕士学位论文微流体混合影响因素数值分析 另外目前大多数的研究仍局限在微米尺度级，在更小尺度，纳米尺度下的 混合机理还未广泛的进行讨论，量子效应是否会出现，当微管道的直径与分子直 径相当时，管道内流体将是滑脱运动，不同分子的交叉排列就得到很好的混合。 生物系统中的微流体混合机制还有待于进一步地了解。例如在微小的毛细 血管中还存在着漩涡，导致血流停滞。若在微管道可产生漩涡，将大大增强混合。 1 3 本课题的主要研究内容及其意义 目前微流控芯片在我国的发展势头喜人，已有浙江大学、大连化物所、东北 大学、清华大学，武汉大学等多家科研单位投入其中，并取得了初步成绩。由于 微流控芯片是跨学科的薪领域，是新世纪分析科学、微机电加工、生命科学、化 学合成、分析仪器及环境科学等许多领域的重要发展前沿，此分析系统除涉及到 微加工技术和芯片材料的知识外，还涉及到广泛的基础理论和应用基础知识，例 如微米通道中的传质、导热、吸附以及微区反应规律等，化学、光学、电学、信 号处理等多个领域的交叉结合，因此需要不同专业的技术力量紧密结合，相互协 作，取得快速的发展。 微混合器是微流控芯片的主要作用形式，例如d n a 的杂交和p c r 的扩增都 依赖于多相流的高效混合在微系统中，由于管道长度和孔径的减小，增加了流 体达到均匀混合的难度。对于混合反应体系，没有混合就没有反应，混合不完全 则反应不能完成，若混合速度小于反应速度，混合时问成为决定反应完成时问的 决定因素，成为限制反应时间以至整个系统分析时间的瓶颈。因此，在微尺度下 的高效混合具有十分重要的意义，如何实现高效混合是目前重要研究课题之一。 从上一部分的微混合器混合原理的发展现状可知，对于如何增强混合的研究，程 度还不够深，范阐不够广泛，至今善未形成一套系统的成熟的理论应用于微混合 器的设计和操作。因此本课题希望通过探讨微尺度下的混合的影响因素与基本规 律，以期得到一定的结论，进而指导管道设计和实验操作。而影响液流混合的因 素很多，本论文从管道的角度来考虑，主要有管道的截面尺寸、管道的构型、以 及管道内液流流动的状态三方面的影响因素。由于方肇伦先生为首的浙江大学微 分析系统研究室、大连化物所等已经具备有良好的加工条件和实验条件，本实验 室并不具备相应的条件，也无需重复去建设，因此论文着重于理论方面，采用数 值模拟的方法对三方面的影响因素进行分析，本论文的主要工作如下： 0 i l y o 吼= o 5y ；o ( 属性相同流体混合) 吼- - t o 5 5 9 7 8y = o ( 甲醇与水混合) l0 y 0 1 0 y 0 当两液流同为水时，得到的模拟结果如图3 - 1 0 与表3 - 6 所示。而两液流为 甲醇与水时，结果如图3 1 1 与表3 - 6 。 图3 一1 0 属性相同流体混合a 的质鼍分率图 图3 - l l 甲醇与水混合时水的质量分率图 表3 - 6 不同流型下的属性相同液流与不同液流混合出口端的混合程度 a 物质b 物质水和甲醇 抛物线流 0 1 5 2 80 5 8 3 l 塞状0 1 2 2 70 5 3 s 6 3 3 第三章速度流型对微混合的影响 从表3 - 6 仍然可以看出抛物线流型的混合程度要比塞状流的大。 本章小结： 本章分别对不同管道内属性相同与不同的两液流的混合进行模拟，结果表明 速度流型对混合有一定的影响，在平均流速相同的条件下，沿着流向方向流型越 凸，混合程度越高，越凹混合程度越低。抛物线流型最有利于混合，而不是塞状 流，虽然在分离分析时，电渗流型最有利于分离谱峰检出。 天津大学硕士学位论文微流体混合影响因素数值分析 第四章管道构型对微混合的影响 目前已经有许多内部结构复杂的3 维管道作为被动式微混合器，例如在管道 的底部加斜槽、人字形槽，分段式斜坡型、波浪型混合管道，蜿蜒管道等等。然 而人们的这种设计带有随意性，对这些结构的了解不够深入，往往是尝试性地采 用某种结构，通过数值模拟或实验来看看是否能增强混合，很少从基础构型的角 度出发设计。例如人们早就知道弯道处能产生紊流，在设计管道时采用折线形管 道等等，但还不清楚每一个特殊管道结构的性能，因而希望可以通过数值模拟得 到一些规律性的认识，进而根据特点设计类型不同的构件，可以形成不同种类构 件的零件库，在实际需要的情况下，可挑选相应的构件，也可以对相应的构件进 行重新的组合。 t 型管道是各种管道的雏形，可经过简单的变形得到有不同的微混合器，如 入口角度的改变、混合段管道的蜿蜒等等。本章主要从以下几个方面研究基本结 构的特点：两液流汇合进入混合管道的入口角度；混合管道的不同转角以及 转角组合；混合管道的蜿蜒走形。 4 1 入口角度 首先考虑t 型管的两个入口端的变化，本论文中定义的入口角度如图4 1 所 示。对气体混合的数值模拟发现，入口角度对两气体混合没有影响【1 8 】，此结论是 否也适合于液体呢? 为此，本部分讨论了从6 0 。+ 6 0 。共9 种不同入口角度下 的混合情况。同气体模拟时一样，为了简便，将3 维模型简化2 维模型，但其结 果并不影响结论。数值模拟结果如图4 2 、图4 _ 3 所示： ，十 ， i a i 图4 - 1 入口角度示意图 第四章管道构型对微混合的影响 图4 2 不同入口角度的混合程度 从图4 2 可以看出，入口角度对液体的混合有一定影响，与气体混合并不相 同。当入口角度比较小时，即在3 0 。之内，混合程度变化不大，略微有些差别， 特别是0 。到3 0 。之间，几乎没有差别，然而当入口角度达到9 - 4 5 。以外，混合 程度发生了明显变化。并且发现正角度都略微比幅值相同的负角度的混合程度要 高。 图4 3 6 0 入口角度两液流混合a 的截面质量分率图 蜊删导翟一 天津大学硕士学位论文微流体混台影响困素数值分析 不同角度的影响从图4 3 可以看出主要在两渡流进入混合管道的交忙处 也就是入1 3 效应。正方向入口的液流在汇合处混合急剧增强，而反方向入口的液 流相比之下就差许多。过了交汇口混合管道内液流混合主要依赖于扩散，两种 入口角度的管道没有差别。因此可以推断出混合程度的差别主要是液流进入混合 管道的角度不同引起的。 4 2 转角 以上分析了入口角度对两液流混合的影响，那么当液流进入到混合管道后， 混合段管道构型将对液流混合产生什么样的影响呢? 这一节讨论不同角度的混 合管道转角对混合的影响。 4 2 1 转角方向 弯道使得平稳流动的液体流速发生变化，带来较强烈的混合。本部分考虑以 下两种不同的转角方向，如图4 - 4 所示。图中管道的截面为矩形，尺寸为 3 0 0 x 1 5 0 , t s n 2 ，计算屯= 2 0 0 , w nr 平均速度p ；o 0 0 1 m s 的条件下，雷诺数 r e = 0 ，2 ，属于低雷诺数层流形式。两段直管道的长度均为o8 脚册以形成稳定 的流动。不同转角方向下不同角度的模拟结果如图4 - 5 、囤4 - 6 所示。 ( a ) 液流接触面与转角平面平行 ( b ) 液流接触面与转角平面垂直 圈4 4 两种不同的转角方向 第四章管道构型对微混合的影响 图4 - 5 不同角度出口处截面a 的质量分率图。第一行是第一种转角方向的 第二行是第二种的图中每一列对应于相同的转角度数。 图4 - 6 两种转角方式不同角度的混合程度比较 图4 - 7 第二种转角方向下的对称平面的a 的质量分率 天津大学硕上学位论文微流体混合影响因素数值分析 从图4 5 与图4 5 可以看出，第一种转角方向并没有带来液流接触面上扩散 的变化以及混合程度的显著变化，随着转角的加大，混合程度基本上是水平的， 仪略微有点提升，其主要原因是由于圆弧段流线长的缓慢增长，两液流的扩散时 间略微增加。这说明在弯管道内，液流的流动在垂直于管道的转弯平面上，仍然 保持层流方式，以致在第一种转角方向下不会带来液流的强烈混合。而在第二种 转角方向下，两液流在接触线附近区域混合增强，从图4 7 可以看出在转弯处发 生明显变化，增强了液流混合，从图4 - 2 - 2 的上端曲线看出混合程度提高了许多， 分析可得转弯只能在其流线变化的平面上影响速度，使其发生变化。 另外，从图4 - 6 的第二种转角方向的混合程度曲线可以看出，混合程度与转 角度数不成正比例变化或单调递增，混合程度最高的转角度数为1 2 0 。，并且在 3 0 。和4 5 。之间有一个急剧的变化，混合程度提升了7 0 以上，而在4 5 。之后， 混合程度的增长相对缓慢，因此，建议在混合管道设计时。转角度数大于4 5 。 4 2 2 转角组合 以上分析了不同转角方向、转角度数对于微流体混合的影响，下面讨论不同 的转角组合对混合效果的影响，即在保证最终流向与初始流向的夹角相同的情况 下，何种转角度数的组合最有利于混合。采用的模型如图4 8 ，口+ 口= 9 0 。，管 道截面为正方形，a = b = i 0 0 a n ，各段直管段的长度均为5 0 0 堋，流体为水， v = o 0 0 1 m s 。模拟结果如图4 _ 9 。 图4 - 8 转角组合示意图 第四章管道构型对微混合的影响 图4 9 不同转角组合的混合稃度 从图4 9 可以看出，曲线大约以4 5 。为对称点左右对称，相同的转角组合， 其次序不同对混合效果无明显影响。不同的转角组合其结果不近相同的，其中以 3 0 。1 6 0 。的转角组合混合程度最高。根据图4 6 ，由于4 5 4 时混合程度的激烈上 升，并且在更大角度混合程度提升的速度减缓，猜测两个4 5 。转角组合的混合 效果应该最好，但结果却正好相反，在所有的转角组合中，其混合程度是最低的， 完全与猜测不相符合。均分角度组合下的混合效果不如不均分的。 4 3 蜿蜒混合管道 人们已经设计了许多蜿蜒管道，例如折线形、直拐角形等。本部分主要比较 了三种走形：折线形、圆弧形、直角拐形的混合效果，如图4 1 0 所示。在实际 模型中，在各构型的管道尺寸与转角组合部分相同，并且在管道的首尾分别增加 5 0 0 a n 的直管道，形成稳定的流动。模拟结果如图4 l l 与表4 - l 所示 天津大学硕士学位论文微流体混合影响因素数值分析 忿 图4 - 1 0 不同蜿蜒管道走形 从图4 “、表4 1 可以看出，圆弧形的混合管道与普通的直管道相比，混合 程度仅提高了8 ，而折线形与直拐角形提高了7 0 以上。虽然圆弧形与直拐角 形都将流向调整到反向，再调整回原来流向，然而混合程度差别甚大，由于圆弧 形在整个管道中属于缓慢改变流向，均匀的分布转角，因此完全不像直拐角时转 弯带来强烈的混合，而是平稳的过渡。折线形的角度也是直角，但与直拐角形相 比少了两个9 0 。的转角，因此折线形比直拐角形的混合程度低了1 5 左右。由 于直拐角形管道不利子密集，建议采用折线形，并且根据本章第一部分转角方向 的模拟结果，相邻折线管道成角为3 0 。，使流向发生1 2 0 。的变化最有利于混合。 ( a ) 折线形 第四章管道构掣对微混合的影响 ( b ) 圆弧形 ( c ) 直拐角形 图4 - l l 对称面的a 的质量分率 表4 1 各种走形管道出口处的混合效果比较 匿l 弧形折线形直拐角形直管道 l 混合程度 0 ，4 5 2 8o 7 1 1 70 8 6 0 30 4 1 8 3 以上讨论的都是平面内蜿蜒管道，立体空间内蜿蜒管道对混合效果的影响又 如何昵? 下面模拟了如图4 1 2 平面蜿蜒和立体蜿蜒的两种构型，并与直管道进 行比较，模拟结果如图4 1 3 ，表4 2 。 天津大学硕士学位论文 微流体混合影响因素数值分析 图4 - 1 2 平面与立体构型 图4 1 3 出口截面水的质量分率图 表4 - 2 立体与平面构型的混合程度比较 z ；1 2 5 0 a mf 之4 5 0 a m2 ；- - 3 5 0 0 掰 平面蜿蜒o 2 4 l o0 4 7 4 90 5 6 6 6 立体蜿蜒0 2 6 5 30 5 1 7 70 6 3 1 9 直线构型0 0 6 0 00 ，0 8 2 30 0 9 8 0 从图表中可以看出两种混合器都很大程度增强了混合效果。简单立体构型的 混合器比平面的混合效果提高了1 0 。立体转角增加了另一方向上的变化，使得 速度矢量变化更不规则，因而增强了混合。 本章小结： 本章讨论了入口角度、转角、蜿蜒混合管道的构型对于液流混合的影响，得 到了些规律。 第五章速度流酗图像边缘提取 第五章速度流型图像边缘提取 不同驱动方式驱动流体，流体以不同的速度流型流动。从实验图片提取速度 流型，即提取图像的边缘再进行计算求得速度流型，因此提取速度流型的问题就 转化为提取图像的边缘。边缘是图像的最基本特征之一，是图像分割、纹理分析、 图像识别的重要基础。所谓边缘是指周围灰度有反差变化的那些像素的集合，至 今为止在数学上还没有准确的定义，一般的文献都认为局部极值点或灰度发生剧 变的点为边缘，它可以粗略的分为阶跃边缘与屋顶边缘。经典的微分边缘检测算 子是利用边缘处的一阶导数最大或最小，阶跃边缘点处的二阶导数呈零交叉或屋 顶边缘点处二阶方向导数取极值等。近年来，随着数学和人工智能的发展，出现 了更多边缘检测方法，如数学形态学法、小波变换法、神经网络法、模糊检测法 等等，力图最大程度地抑制噪声和多尺度地探测真正的边缘。 5 1 边缘提取方法简介 5 1 i 经典边缘检测方法简介 到目前为止已经有了很多成熟的边缘检测方法。微分方法是一类经典的边缘 检测方法，它包括一阶微分和二阶微分方法。图像在边缘处具有边缘走向灰度变 化平缓，而垂直于边缘走向灰度变化剧烈的特性，因此对图像进行微分运算可以 增强图像的边缘。 一幅数字图像的一阶导数是基于各种二维梯度的近似值。图像j ( x , y ，在位 置( 而y ) 的梯度定义为下列向量： 夥= 阱 玉 钞 砂 ( 5 1 ) 在边缘检测中，一个重要的量是这个向量的大小，即 刚c 帅睁睁 临z ， 天津大学硕士学位论文微流体混合影响因素数值分析 对于数字图像可用差分的方式表示 g l f ( i ，州：p ，z + v ，f ：f ( 5 3 ) 式中v ，f = f ( i , j ) - f ( i + 1 ，力t 审，= f ( i ，j ) - f ( i , j + 1 ) 对差分算子稍作变化，就可得到各种不同的经典算子。例如3 3 的模板，各 种经典的一阶微分方法的模板，如图5 1 所示。还可以调整图中的模板，可实现 对角边缘的检测。 毛乃 z -z j 白 z ；b 岛 圈圈 圈圈 p r e v c l t t 圈圈 r o b o t s o b e l t l t5 - 1 图像的3 x 3 的区域以及用于计算z 。点的梯度算子 二阶微分方法主要就是拉普拉斯算子，定义为： v 2 ，= 窘+ 害 ， 其差分形式为： v 2 f ( i ，) = 【( “，力一厂g 朋 ( 5 5 ) 式中r 为( _ ，) 的四邻域或八领域。对于3 3 的模板常见形式如图5 - 2 所示。 拉普拉斯算子所得结果的过零点即为图像的边缘，即检测二阶导数的零交叉 点，此算子对噪声比较敏感，而拉普拉斯高斯算子在边缘检测前先对图像作高 斯低通滤波抑制噪声，这个过程可以结合写成l o g 算子： v ：肥州鼍争乌粤 限s ， 其近似的5 x5 模板如图5 - 2 所示。 第五章速度流犁图像边缘提取 圈-1 8 - i q01o0 0121o 121 621 o 1 。2 - 1o 0o1o0 l 印1 i l o g 近似梗板 图5 - 2 拉普拉斯算子常见模板 这些经典边缘检测算法，梯度法、r o b e r t 梯度、s o b e l 算法和l a p l a c i a n 算法、 p r e w i t t e 算法，都是对整幅图像的处理，不仅要检出图像目标的外边缘，而且要 检出图像目标内部结构特征。这些边缘检测算法的速度快，但得到的往往是断续 的、不完整的结构信息，这类方法对噪声较为敏感。为了有效抑制噪声，一般都 首先对原图像进行平滑，再进行边缘检测才能较为成功地检测到真正的边缘【3 0 】。 5 1 2 其他边缘检测方法 c a n n y 算子是一类具有优良特性的边缘检测算子，广泛应用