【毕业学位论文】（Word原稿）微流控系统中混合及汽液相变传热的数值模拟-工程热物理

分类号 密级 621 编号 中国科学院研究生院 硕士学位论文 微流控系统中混合及汽液相变传热的数值模拟 指导教师姓名 研究员 中科院广州能源研究所 申请学位级别 硕士 学位 学科专业名称 工程热物理 论文提交日期 2009 年 5 月 论文答辩日期 2009 年 5 月 培 养 单 位 中国科学院广州能源研究所 学位授予单位 中国科学院研究生院 答辩委员会主席 摘 要 I 摘 要 本文在微流控系统的背景下， 对微尺度下混合以及微通道内流动沸腾传热过程进行了深入细致的研究。 在微尺度下，由于流动处于层 流状态，因此混合是一个巨大的难题。本文针对微尺度混合的特点，研究 了一种 脉动流 微混合器。这种微混合器利用入口速度方波型 或正弦波型 脉动实现微通道内流体的有效混合。针对物理问题建立了通用的无量纲方程和边界条件，利用计算流体动力学 方法研究了微混合器的特性和脉动参数的影响。结果表明对于方波型脉动混合器， 在脉动方波占空比为 位差为 180 度时，能达到较好的混合效果。微混合器中流动具有混沌对流特征，可极大地增加界面面积，从而实现快速混合。 对于正弦波脉动微混合器，其混合效果比方波型好。通道内存在 月牙形的脉动形状，它决定了混合的效果。 （频率）控制着通道内脉动形状的大小，即流体分段的数目。 并不是越大越好，而是要取合适值以 使得通道内月牙形区域为 4 8个。脉动幅值 a 控制着通道内脉动形状的对称性，当 a 取最佳值使得脉动形状关于 合效果最好。最佳脉动幅值一般随 增加而增加，随 的增加而减小。 （ ）影响流体在通道内滞留的时间，从而影响扩散混合的速率。由于脉动流微混合以对流作用占主导，故随着 增加，混合效果只有轻微的下降，说明脉动流微混合器具有较广的 适用范围。 在微通道流动沸腾的研究中， 采用 法 对 沸腾流型由 泡状流 向 塞状流 过渡的全过程 进行了数值模拟 ，并与实验结果进行了对照 ，结果表明汽泡流型变化 的过程与实验较为接近。通过对 汽 泡周围温度场和流场的分析，表明 汽 泡的成长会影响温度场和流场的分布，从而影响通道的传热系数。沸腾流型由泡状流向塞状流转变的过程中，通道的传热系数不断增大，总热流也不断增大。热流的增加主要由汽液界面的相变潜热热流和汽泡引起的周围流体对流传热的强化效应两部分组成。在泡状流阶段，相变潜热的热流比例很小；在弹状流阶段，相变潜热热流 比例逐渐增大 ，壁面处薄液膜的蒸发 传热效应不能忽略 。 摘 要 键词： 数值模拟；微混合；流动沸腾；汽液相变；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 录 V 目 录 摘 要 . I . 一章 引言 . 1 流控技术 . 1 尺度的基本概念 . 1 流控分析系统 . 2 流控技术的应用与前景 . 3 混合器简介 . 4 混合的理论基础 . 4 混合器的分类及应用 . 6 通道内流动沸腾的研究现状 . 11 通道流动沸腾的实验及理论研究 . 12 液相变的数值研究方法简介 . 15 文的结构和研究内容 . 16 第二章 方波型脉动流对微混合的强化 . 17 混合器的结构设计和物理模型 . 17 响参数的初步分析 . 19 值模拟的结果及分析 . 20 动流对混合器内浓度分布的影响 . 20 参数对混合度、混合长度和混合时间的影响 . 23 子追踪方法揭示脉动流流场特征 . 27 章小结 . 28 第三章 正弦波型脉动流对微混合的强化 . 30 人的研究简介 . 30 理模型 . 30 制参数选择 . 32 值求解过程 . 33 格的生成 . 33 解器设置 . 34 值方法正确性的验证 . 34 目 录 算结果及讨论 . 36 动幅值的影响 . 38 动频率（ ）的影响 . 40 e 数的影响 . 41 合过程的时空依赖性 . 42 佳脉动幅度 . 45 章小结 . 46 第四章 微通道内流动沸腾的数值模拟 . 48 拟汽液相变的流体力学方程 . 48 值方法正确性的验证 . 50 题 . 50 止和运动汽泡的成长 . 52 值模拟准备 . 54 解过程 . 54 格的生成及求解器的设置 . 56 果与讨论 . 57 泡形状的变化过程 . 57 泡周围温度场和流场分析 . 59 道中压力的变化 . 61 热系数的分析 . 62 章小结 . 65 第五章 结论与展望 . 67 文的主要结论 . 67 望与建议 . 68 参考文献 . 69 附录 . 74 方波型脉动流微混合 . 74 攻读硕士学位期间发表的论文 . 79 致 谢 . 80 第一章 引言 1 第一章 引言 20 世纪 90 年代初首次提出微全分析系统（ 概念 1。目前，该领域已发展成为当前世界最前沿的科技领域，其核心技术是以微流控技术（ 基础的微流控芯片。 流控技术 微流控 技术 的研究起初作为微电子机械系统（ 究的一个分支，是在 艺技术的基础上发展起来的，它继承了 学科交叉的特点，同时又形成了自身的学科特色。目前，微流控技术的定义在国际学术界也不十分统一。版社出版的国际期刊“ 微纳流控技术广义定义为：“在微纳米尺度下的物质传递、动量传输、热传递、以及在传输中的反应过程”的相关技术 2。 尺度的基本概念 近几年来自然科学和工程技术发展的一个重要趋势是朝微型化迈进，人们的注意力逐渐从宏观物体转向那些发生在小尺度和 /或快速过程中的现象及其相应器件上。微尺度系统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，各种物理机制的重要性与常规尺度不同，部分大尺度下可忽略的效应如表面效应、入口效应等在微尺度下却举足轻重。在不同的物理过程中，何种物理规律或者微尺度效应占主导地位，以及如何利用这些占主导地位的物理规律来控制微流控系统是一个非常关键的科学问题。重要的微尺度效应包括： 1、层流效应：微尺度下的流动一般为低雷诺数的层流流动。 2、表面效应和毛细效应：由于物体的比表面积（表面积与体积之比）与特征尺度成反比，尺度的减小使得比表面相对较大，因此表面效应和毛细效应显著。 3、快速热传导效应：由于比表面积的增大，微尺度下的换热增强，同时，由于物体尺度较小，具有较小的热惯性和较快的热响应，使得微尺度下的传热控制成为可能。 4、扩散效应：由于微尺度流动的 较低，使得流体间的混合变得比较困难，微流控系统中混合及汽液相变传热的数值模拟 2 不同流体之间的混合主要依靠界面的分子扩散。 5、端部效应：由于尺度较小，微通道内的流动许多情况下未充分发展，端部入口效应对流动和传热影响不能忽略。 6、三维效应：微通道的尺度较小，周围壁面影响不能忽略，一般不能简化为二维处理。 7、气体可压缩性效应：微通道尺度较小，沿程压降相对较大，气 体沿程的密度会发生变化。气体可压缩性的影响一般不能忽略。 8、壁面滑移效应：对于微尺度气体流动，气体流动进入滑移区，壁面附近将出现速度滑移和温度跃变现象。 微尺度下各种效应的相对作用取决于一系列无量纲数，如 ， ， ， ， 等，其物理意义如表 1示，其中 为密度， U 为特征速度， L 为特征长度， 为 热扩散系数 ， 为运动粘性系数， 为 等压膨胀 系数， g 为重力加速度， 为分子平均自由程 ， 为表面张力 。 表 1征微尺度效应的无量纲数 L 惯性力 /粘性力 对流 /扩散 粘性力 /表面张力 g 对流 /扩散 32g 惯性力 /粘性力 惯性力 /表面张力 分子自由程 /特征尺寸 流控分析系统 随着越来越多的化学家和生物学家加入到微流控系统技术的研究领域，微流控系第一章 引言 3 统技术的研究获得了突飞猛进的发展，其研究领域已经拓展到“微纳米尺度下，所有与 流体相关的物质传递，动量传输、热传递及生物化学反应”。 微流 控 芯片利用微米级的各种管道和容器，同时整合微泵、微阀等微器件，操纵微升及亚微升级的样品和试剂。微通道中的流体流动行为与人们在日常生活中所见的宏观流体流动行为有着本质的差别，因此微泵、微阀、微混合器、微过滤器、微分离器等微型器件往往都与相应的宏观器件差别甚大。 微流控 分析系统的优点包括： 1、具有极高的效率，这种高效率来源于结构尺度的缩小和高的传质传热速率； 2、分析样品的消耗降低到微升或纳升水平，这 降低了分析费用和贵重试剂的消耗，也减小了环境的污染，满足 了绿色环保的需求； 3、分析系统高度集成化，大大减小了仪器所占的使用空间，已经研制成功功能齐全、便于携带的仪器，应用于各类场合的现场分析； 4、微流控分析系统的微小尺寸使得自身使用材料消耗减少，实现批量生产的分析系统成本大幅度降低，有利于终端用户的普及。 流控技术的应用与前景 微流 控技术是 在微观尺寸下控制、操作和检测复杂流体的技术，是在微电子、微机械、生物工程和纳米技术基础上发展起来的一门全新交叉学科。近年来微流 控 技术的快速发展，已经在化学、医药及生命科学等领域上造成革命性的冲击。 微流控技术的应 用范围包括了从打印机墨水喷头、化工反应过程、燃料电池到与生命科学相关的检测等各方面。例如，热式喷墨打印头利用微加热元上产生汽液相变时，汽液界面的膨胀来产生微液滴。如图 1示，微加热电阻由脉冲电信号控制，当脉冲信号的高电平施加在微加热器上时，微加热器上产生高速瞬态相变，汽泡界面的膨胀将墨滴推出微喷嘴；低电平时，汽泡破灭，新的墨水被吸进墨水腔。整个喷墨过程的微汽泡生长及溃灭周期处在微秒量级。 由于微电子技术的飞速发展，高密度的热量输运是一个富有挑战性的问题。目前电脑 需的热耗散密度可高达 1MW/因此微型换热器是微流控技术一个重要的研究方向。这些换热器多由水力直径在 10 到 103 m 的微型管道组成，由光刻技术或利用微型工具切割而制作在薄片上。这些薄片既可以单独组成平板换热器，也可以组合在一起以形成顺流或逆流换热器。除了微槽型换热器外，微热管也是一类具微流控系统中混合及汽液相变传热的数值模拟 4 有高热流输运能力的换热器 。 通常微热管不含有普通热管中常见的毛细结构来帮助冷凝后的液体返回蒸发段，而是 利 用管截面上尖角处的毛细力将冷凝后的液体传送回蒸发段。 图 1墨打印头原理示意图 2 在生命科学领域， 微流 控芯片 将一般实验室所使用的分离、纯化、混合 、酵素反应等装置微小化到芯片上，以进行生化反应、过程控制或分析 。 这些芯片可对微量流体 (包括液体和气体 )进行复杂、精确的操作，如混合和分离微量流体、化学反应、微量分析等。微流 控 芯片还可以在稀有细胞的筛选、信息核糖核酸的提取和纯化、基因测序、单细胞分析、蛋白质结晶等方面发挥独特的作用。因为微流 控 芯片具有体积轻巧、使用样品 /试剂量少、反应速度快、大量平行处理及可抛弃式等优点 ， 因此在生物技术研究上的应用范围非常广泛。 混合器简介 随着微细加工技术的快速发展，微流控 技术 在生物芯片及芯片实验室中具有重要作用。 在两股或多股流体进行化学反应时，必须解决它们之间的有效混合，因而微混合器是微流控中的重要组成部分 4,5。微混合器还可以作为传感器进行环境检测，如检测水溶液中氨的含量等 6。 合毛细管电泳（ 离和 T 型混合器作为柱状反应器 7，而电场驱动的 T 型混合器可用来进行酶的分析 8。除了在传感和分析领域的应用外，微混合器还可以用于不互溶液体的扩散并形成微液滴 9。总之，微混合器是当今国际研究的前沿领域，具有非常广阔的应用前景。 混合的理论基础 在微流控 芯片 中，系统结构尺寸通常小于 数百微米，流体的雷诺数非常小（ 100），不能发生湍流混合，流体完全呈层流状态流动，混合只能靠分子扩散进行。因此，有效、快速地混合是一个相当漫长的过程，比如水分子要扩散 1第一章 引言 5 m 的距离约需 1s；若是扩散 1需 1000s 10。流体分子的扩散可以用 律来表征： J D c （ 式中， J 为扩散通量； D 为流体分子的扩散系数； c 为组分的浓度； c 是扩散方向上浓度的梯度。总的扩散质量还需要用扩散通量乘以接触面积。可见，流体分子的扩散取决于扩散系数、浓度梯度和接触面积。由于扩散系数与流体性质有关，因此我们要从提高浓度梯度和增大接触面积的方面来加速混合。 表征混合特征有几个重要参数 雷诺数 / D 表示惯性力与黏性力的比值，它也是判定流动是层流还是紊流的重要参数。在微混合中，通常是低雷诺数的层流流动。派克莱特数 /L D 表征由对流和扩散引起的 质量传递的比值，在高 下，对流传质占主导地位。 /在主动混合器中代表某流体组分在通道的停留时间与扰动周期之比。在这些参数中， U 代表通道内的平均流速，L 为扩散距离，对于微通道通常取截面尺寸的最小值， 为运动粘度， f 为扰动频率。 评价混合效果的参数通常有混合时间、混合长度和混合度（ of 对 于仅靠分子扩散进行混合的微通道，混合长度可表示为 2( / ) L D P e L ，混合时间 为 2 /t L D 。而混合度的 计算基于截面的浓度分布，其 定义通常有两种形式，积分形式： 0|(1 ) 1 0 0 %|c d Ac c d A （ 式中， c 是混合通道截面上某流体组分的浓度分数， 完全未混合时截面的浓度分数（当两流体流量相同时，值为 0 或 1）， c是完 全混合时的浓度分数（两流体流量相同时为 A 为通道截面面积。从上面的定义可以看出， 值的范围在 0和 1 之间， 1 时说明完全混合。上述定义还有一个等价的离散形式： 21()( 1 ) 1 0 0 %n （ 其中，i 个单元内的浓度分数， n 为截面上的单元总数。 对于宽度 100 m 的微通道，由于在微流控中，典型的 扩散系数 D 值为微流控系统中混合及汽液相变传热的数值模拟 6 9 1 0 21 0 1 0 / ，典型的 U 值为 31 0 / 1 0 /m m s m m s ，根据前面的公式，混合长度要达到几米长，这显然不能满足应用的要求。为了降低混合时间和混合长度，我们必须减小扩散距离 L，它与混合长度呈平方关系。 为了 减小扩散距离，需要使用摺叠、拉伸、展开、旋转等各种方法将流体层分割为许多的薄层 11。这些分割、变形的流体薄层不但可以减小扩散距离，而且也增大了流体间的接触面积和浓度梯度，从而可以极大的增强混合效果。 混合器的分类 及应用 由于微通道的尺寸太小，难 以与传统的混合装置联用，为了实现层流状态流体的快速混合，常常通过改变通道的构型、引入外力等方法，以增加液流的接触面积，缩短扩散距离，产生混沌对流，从而提高混合效率。目前，微混合器通常可以分为两种：一种为主动微混合器，另一种为被动微混合器。主动混合是指需要外部能量诱发混合的方法，包括微搅拌、压力扰动、声波扰动、电驱动流体、磁驱动流体、热驱动等；被动混合是指不需要外部能量源的方法，主要依赖于通道几何形状，如开槽通道、流体分层流（在通道中加障碍物）、蛇形通道、诱发混沌对流等。 被动微混合器，多采用在微通道中引入各 种微结构来促进混合。相对于主动混合器，被动微混合器除了输运流体外不需要额外的致动器，因而其混合效果较稳定，而且便于集成在微流控系统中。被动微混合器根据其混合特征又可以大致分为分层流微混合器（ 混沌对流微混合器（ 几类。一般来说，分层流微混合器在较低的 和 的情况下工作较好，而混沌对流微混合器可以工作在较广的 范围。 分层流微混合器是被动微混合器中的一大类，它主要是通过各种微结构将来流分为许多薄层，以达到减小扩散距离和 增加接触面积的作用。最典型的分层流混合器是合器。一般来说，对于两分层流体，当通过 n 个串联的微结构后，流体层厚度将变成原来的 1/2n ，则扩散混合时间将呈指数型衰减22 /( 2 ) D 。 例如 人12设计了一种 混合器，经过一个 体层由 2 个变为了 4 个 。 利用多层次的分流、汇流混合方法 ， 相邻液流的扩散 距离减小，浓度梯度增加 。通过对含有 8个上述 效的混合。 除了 混合器 ， 3，第一章 引言 7 4等人还设计了一种叫做 微混合器。这种微混合器由一系列的并行通道组成，这些通道呈圆弧型分布，最终聚焦到圆心。开始阶段的流动通道很细，从而可以使流动加速并使流体薄层的厚度减小，最终加速混合。按照这种设计思路制成的微混合器由 138 个微通道组成，可以在 达到 350L/h 的流量。如果不算上流体通过聚焦仓的时间，流体仅需要 4混合时间就可以达 到 95%的混合效果。 近年来，混沌对流微混合器受到了许多研究者的关注 15。 混沌 这一概念引入了混合，他认为有效混合的关键在于产生拉伸和折叠，这些拉伸和折叠的变化 可以产生 混沌 现象 11。他的研究表明二维稳态的流动不能产生混沌，混沌的产生必须要时间尺度上或者空间尺度上的变化。主动混合器可以借助外力形成非定常流诱发混沌，被动混合器常常利用通道结构的变化产生横向的二次流，这样流场沿通道轴向就会出现周期性的波动以实现混沌对流。 例如， 人 16利用在通道底部蚀刻交错鱼骨型槽道制成 混合器（ 实现混沌对流。其制作的 合器结构和流场特性如图 1示。图 1示了经过方向变化的鱼骨型槽道后，通道内产生了横向二次流，并且二次流的旋转中心有着周期性的变化。从图 1看到，经过一组交错鱼骨型槽道后，通道内的流体被强烈地拉伸、旋转和折叠。实验表明在经过 15 组交错鱼骨型槽道后，流体可以达到完全混合，而且混合效果在 小于 100 的情况保持不变。对于常规的 T 型混合器在 410时，需要 高达 1m 的混合长度，而对于 合器只需要 1混合长度。 图 1混合器结构和流场特征 16 微流控系统中混合及汽液相变传热的数值模拟 8 人 17采用 混合器 （ 实现了混沌对流混合。由于通道中阻挡块的存在，速度场被周期性地扰动而实现了混沌混合。没有阻挡块存在时，通道截面的速度绕椭圆点旋转。经过阻挡块后，截面速度场发生了巨大的变化，形成了由双曲点连接的两个椭圆形流场区域。这种速度场能够使流体界面面积呈指数型增长，从而极大地促进混合。进一步的实 验表明，与仅有底部斜凹槽的混合器相比， 合器所需要的混合长度仅是前者的一半。最后，作者还研究了非周期性的 通道中交错的加入一个或两个阻挡块），结果表明这种混合器可以消除通道中未混合的孤岛，从而增强混沌对流混合。 还有一种 被动 微混合器利用射流冲击效果来实现混合。这种混合器利用一系列喷嘴将一股流体分为多股，然后将它们喷射到另一种流体中去。这种结构可以增大流体间接触面积，射流冲击还可以影响流体运动方式，减小混合长度。 人 18报道过一个具有 400 个喷嘴阵列的射流混合器，混合效率可以得到 显著的提高。 被动微混合器虽然不需要外部活动部件促进混合，但通常需要加工复杂的三维结构，而且对于雷诺数特别低的流动，许多混合器的效果不佳。主动混合器主要是通过外力产生混沌水平对流，它在微混合中非常有效，仅需很短的混合距离 2。文献报道的主动混合器有超声制动混合器（ 声波起泡混合器（ 基于电润湿的液滴混合器（ 磁力微混合器（ 电动效应微混合器（ 。 超声制动混合器的原理是：芯片上集成的传感器将超声波引入通道内，通道内的声波流垂直于流体的流动方向，引起微通道内液流的搅动，增强