表面張力驅(qū)動下?lián)醢鍖ξ⑼ǖ阑旌闲Ч挠绊?/h1>
2020-05-09 03:53唐鈞屹
輕工機(jī)械 2020年2期
唐鈞屹， 陳 曄
(南京工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與動力工程學(xué)院， 江蘇 南京 211816)
如今微流控系統(tǒng)因?yàn)槠渚薮蟮臐摿σ呀?jīng)被廣泛用于生物化工等領(lǐng)域。微流控芯片或者芯片實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)成為微分析、微化工領(lǐng)域廣為熟知的術(shù)語。在微系統(tǒng)條件下,由于尺度的減小,微流體器件的面/體比大大增加,表面張力的影響變得十分明顯,流體的流動特性發(fā)生了變化。因此,在工程意義上,常規(guī)的(宏觀)流體體積流動的驅(qū)動與控制方法在微管道中往往效果不好甚至是不可行的。近年來,微系統(tǒng)已經(jīng)越來越多地涉及到納米通道(nanochannel)和納流控制,微系統(tǒng)已經(jīng)成為在分子水平上進(jìn)行生命科學(xué)、藥學(xué)、化學(xué)和化學(xué)工程研究的重要平臺之一。同時,這也對流體的驅(qū)動與控制提出了更艱巨的挑戰(zhàn)。
微流體的驅(qū)動與控制是微機(jī)電系統(tǒng)發(fā)展需要解決的關(guān)鍵技術(shù)之一，由于微通道尺寸變得越來越小，所以原先傳統(tǒng)的外力驅(qū)動方式遇到了很大的困難。一般來說微流體的驅(qū)動方式可以分為2種:一種是參照宏觀流體的驅(qū)動方式，如機(jī)械壓差驅(qū)動、離心力驅(qū)動及電水力驅(qū)動等；另一種是根據(jù)微小尺度流體本身的特性而產(chǎn)生的驅(qū)動方式，如表面張力驅(qū)動、熱氣泡驅(qū)動、電滲式驅(qū)動和磁流體驅(qū)動等。而其中，表面張力驅(qū)動由于其不需要外部機(jī)械結(jié)構(gòu)和在微尺度下起到的重要作用而被認(rèn)為具有巨大的應(yīng)用潛力[1]。
微通道的入口和出口部分可以設(shè)計(jì)成T型[2]，Y型[3]或者扇骨型[4]。微通道可以使用不同的材料來制備，包括玻璃、硅和高分子聚合物材料等[5]。毛細(xì)現(xiàn)象在我們生活中很普遍，就是通過表面張力的作用使2種流體的界面上產(chǎn)生毛細(xì)壓力，它是2種不相容流體的界面上的壓力差。毛細(xì)壓力能驅(qū)動毛細(xì)結(jié)構(gòu)中的流體進(jìn)行流動。接觸角小于90°的面即親水的面會在液體的前端面產(chǎn)生拉動液體前進(jìn)的力，因此可以通過涂層等手段來減小微通道內(nèi)部壁面的接觸角，以此來加強(qiáng)毛細(xì)壓力。Zhang等[6]使用逐層納米自組裝技術(shù)將微通道用TiO2納米顆粒涂層，通過表面張力將去離子水在4 s內(nèi)升高到60 mm。Ichikawa等[7]研究了流體在不同尺寸不同截面形狀的矩形微通道和PDMS微通道的界面運(yùn)動，發(fā)展了在矩形微通道中的理論。Lee等[8]介紹了一種數(shù)值三維T型微通道模型并研究了微通道中的毛細(xì)運(yùn)動。將Navier-Stokes方程與表面張力和兩相流特性綜合考慮，分析了2個微通道交界處的毛細(xì)運(yùn)動和流體在交界處的壓力分布。
表面張力驅(qū)動微流體的方式?jīng)]有任何外部電源，對于微流體設(shè)備的微型化和集成化非常有優(yōu)勢。課題組以T型微通道為基礎(chǔ)，在微通道的混合段設(shè)置多塊擋板，這些擋板的設(shè)置將加大在低雷諾數(shù)下流體的界面接觸，通過改變擋板的參數(shù)尺寸及擋板間的間隔來研究這些因素對微通道混合效果的影響。
1 物理模型及物性參數(shù)
1.1 幾何結(jié)構(gòu)模型
課題組研究的微通道模型是在T型微通道的基礎(chǔ)上，在混合段設(shè)置8塊相同尺寸的擋板，幾何模型如圖1所示。
本微通道模型的寬度W為400 μm，混合段長度L為5 000 μm，入口端長度H為800 μm，第1塊擋板與混合段入口的距離S為500 μm，微通道截面為矩形，深度E為20 μm。同時擋板的長度為a，擋板的寬度為b，擋板之間的間隔距離為c。將擋板的長度a，擋板寬度b及擋板間距c作為變化的參數(shù)。
1.2 流體物性參數(shù)
在本研究中，微通道是水平放置的，因?yàn)橹谎芯课⑼ǖ赖幕旌咸匦?，所以?個入口進(jìn)來的流體工質(zhì)均采用水來代替；流體之間不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，可以忽略溶解熱效應(yīng)，所以能量方程不需要開啟。接觸角為67.5°，水的密度為1 000 kg/m3，水的黏度為8.90×10-4Pa·S，其擴(kuò)散系數(shù)D=10-9m2·s-1，水與空氣間表面張力為0.072 N/m。
2 研究方法
2.1 數(shù)值模擬方法
利用三維作圖軟件SolidWorks畫出三維微通道模型，然后利用ICEMCFD對微通道模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，最后利用FLUENT軟件對劃分好網(wǎng)格的模型進(jìn)行數(shù)值模擬。本數(shù)值模擬采用多相流模型中的VOF模型和組分輸運(yùn)模型，邊界條件設(shè)置為微通道入口為壓力入口，出口為壓力出口，壁面為無滑移條件。流體為不可壓縮牛頓流體，設(shè)置為層流狀態(tài)，由于微流體領(lǐng)域重力的影響很小，因此不需要考慮重力的影響。計(jì)算需要涉及的控制方程是連續(xù)性方程、動量方程及組分濃度方程：
▽·V=0;
(1)
ρV·▽V=-▽p+μ▽2V;
(2)
V·▽C=D▽2C。
(3)
式中：V表示速度矢量;ρ為流體的密度;▽V為速度梯度;p為壓力;μ為動力黏度；C為組分質(zhì)量分?jǐn)?shù);D為組分?jǐn)U散系數(shù)。
本研究將模擬不同擋板結(jié)構(gòu)參數(shù)下微通道內(nèi)流體的混合情況。
2.2 混合性能評價指標(biāo)
為了定量描述混合的程度，用公式(4)來計(jì)算混合的效率。
(4)
式中：M為混合率；N為目標(biāo)橫截面上的節(jié)點(diǎn)數(shù)；ci為目標(biāo)橫截面上節(jié)點(diǎn)對應(yīng)的流體質(zhì)量分?jǐn)?shù)；cm為目標(biāo)橫截面上流體混合充分時節(jié)點(diǎn)對應(yīng)的流體質(zhì)量分?jǐn)?shù)，本文為0.5；σ為目標(biāo)橫截面上流體未發(fā)生混合時流體質(zhì)量分?jǐn)?shù)的偏差，本文為0.5。
混合效率的范圍是從0%到100%混合。
通常情況下，混合段會設(shè)在微通道前部使流體盡可能完全混合。要想混合率盡可能高，微通道的長度將是關(guān)鍵因素。但是本文主要研究擋板結(jié)構(gòu)對流體的混合過程的影響，以及擋板結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對流體混合效果的影響。微通道的長度對混合率的影響本文不討論。
監(jiān)測混合率的截面位置設(shè)在如圖2所示的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ 5個位置處，分別是4塊擋板的中心處以及出口處，5個監(jiān)測位置相隔距離相同。
2.3 網(wǎng)格獨(dú)立性檢驗(yàn)
FLUENT模擬之前，需要對三維模型進(jìn)行網(wǎng)格的劃分，網(wǎng)格的質(zhì)量和數(shù)量決定著模擬的準(zhǔn)確度以及模擬計(jì)算的速度，理論上說網(wǎng)格的數(shù)量越多越精細(xì)，模擬的準(zhǔn)確度越高，但是計(jì)算速度會降低，在有限的計(jì)算機(jī)配置下，必須在保證模擬計(jì)算的準(zhǔn)確度的情況下盡量減少網(wǎng)格的數(shù)量，以此來減少模擬計(jì)算的時間，所以需要進(jìn)行網(wǎng)格獨(dú)立性檢驗(yàn)。
課題組對擋板參數(shù)a，b，c分別為300，100和100 μm的T型微通道進(jìn)行網(wǎng)格獨(dú)立性分析，采用了六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。以微通道出口處的混合率M作為檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，分析結(jié)果如表1所示。
表1 網(wǎng)格獨(dú)立性檢驗(yàn)
根據(jù)表1可得，網(wǎng)格尺寸為5 μm時，相對誤差為3.6%；而網(wǎng)格尺寸為4 μm時，混合率誤差為0.4%，對模擬結(jié)果的準(zhǔn)確度影響不大，因此數(shù)值模擬的微通道網(wǎng)格數(shù)選取在45萬左右。
3 結(jié)果與討論
如圖3所示，可以清楚地觀察到無擋板的T型微通道2種流體不同的界面，混合效果非常差。因?yàn)槲⑼ǖ纼?nèi)的介質(zhì)流動為層流，具有很明顯的分層效果，只能依靠分子擴(kuò)散來完成混合，達(dá)不到理想的混合效果。而在T型微通道中加入擋板后，混合情況如圖4所示，混合效果顯著提高。這表明了內(nèi)置擋板可以增強(qiáng)表面張力驅(qū)動下微通道內(nèi)流體的混合效果。在低雷諾數(shù)的流動中，影響混合效果的主要因素是流體之間的分子擴(kuò)散，而帶有擋板的這種微通道結(jié)構(gòu)使得流體之間的界面間接觸加劇，提高了混合效率。
圖5所示為流體在設(shè)有擋板的T型微通道中的速度云圖。
圖4中設(shè)有擋板的T型微通道內(nèi)流體在表面張力驅(qū)動下，流體的平均流速為0.012 8 m/s。 從圖5可以看到在設(shè)有擋板的通道部分，流體的流速會顯著提升，這是由于流體流經(jīng)的通道截面突變造成的。在微通道內(nèi)的拐角處形成了很小的渦流，流速會升高。微通道截面的流線如圖6所示。
3.1 擋板長度a對混合性能的影響
以微通道中的擋板長度a作為研究的參數(shù)，當(dāng)a分別為100，150，200，300和350 μm，且b=100 μm，c=100 μm時的微通道進(jìn)行數(shù)值模擬。根據(jù)數(shù)值模擬得出的結(jié)果計(jì)算出不同擋板長度在不同監(jiān)測截面的混合率M，如圖7所示。從圖中得出，隨著擋板長度的增大，不同微通道的相同位置監(jiān)測點(diǎn)的混合率M隨之增大，意味著微通道的混合效果越來越好。
不同擋板長度時2種流體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)如圖8所示。
從圖8中可以看到：當(dāng)擋板長度小于200 μm時，微通道的混合效果很差；而當(dāng)擋板長度大于200 μm時，微通道的混合效果顯著變好。如圖9所示，當(dāng)擋板長度低于微通道寬度的中心時，實(shí)際上2種流體還是大致在自己原來的流動軌跡上運(yùn)動，擋板沒有對2種流體的流動做出太大的干擾，沒有讓2種流體進(jìn)行更多的界面接觸，所以混合效果依舊不佳。當(dāng)擋板長度高于微通道寬度的中心時，2種流體在擋板的干擾下改變了原來的流動軌跡，一種流體流動到另一種流體的軌道進(jìn)行更多的接觸混合，所以混合效果較之前有很大的提升。
當(dāng)擋板長度越來越長時，擋板與微通道壁面形成的通道空間處越來越狹小，對2種流體在這個位置的擠壓作用越強(qiáng)，促使流體的混合更加充分。
3.2 擋板寬度b對混合性能的影響
以微通道中的擋板寬度b作為研究的參數(shù)，當(dāng)擋板長度b分別為50，100，150，200，300和400 μm，a=300 μm，c=100 μm時的微通道進(jìn)行數(shù)值模擬。根據(jù)數(shù)值模擬得出的結(jié)果計(jì)算出不同擋板寬度在不同監(jiān)測截面的混合率M，如圖10所示。從圖10中可以看出每個監(jiān)測點(diǎn)的混合率M稍有提高，但是變化不大。如果只改變擋板寬度，可以理解為增加了擋板與壁面形成的那段流道的長度，相當(dāng)于增加了T型直通道的稍許長度，使得混合略微充分了一些，但是沒有改變通道構(gòu)型或再另外設(shè)置障礙物，并不會實(shí)質(zhì)性改變混合效率。所以，擋板寬度的改變對混合率的影響并不大。
不同擋板寬度時2種流體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)如圖11所示。
3.3 擋板間隔c對混合性能的影響
以微通道中的擋板間隔c作為研究的參數(shù)，以擋板間隔c分別為50，100，150，200，300和400 μm，a=300 μm，b=100 μm時的微通道進(jìn)行數(shù)值模擬。根據(jù)數(shù)值模擬得出的結(jié)果計(jì)算出不同擋板間隔在不同監(jiān)測截面的混合率M，如圖12所示。從圖12中可以看出：同一微通道隨著擋板間隔的改變，相同位置監(jiān)測點(diǎn)的混合率產(chǎn)生了變化；擋板間隔越小，相同位置的監(jiān)測點(diǎn)處的混合率越高。
不同擋板間隔時2種流體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)如圖13所示。
從圖13中可知：①流體遇到擋板先收縮，然后在擋板間隔的空間里擴(kuò)張；②流體在若干塊擋板中重復(fù)收縮和擴(kuò)張的狀態(tài)。這種狀態(tài)說明擋板對流線進(jìn)行了擾動。當(dāng)c從50 μm增加到400 μm時，流體混合效率下降，這是因?yàn)閾醢彘g隔增大，擴(kuò)大了流體擴(kuò)張的空間，使得流體分子在這一空間里比較分散。另外，假設(shè)微通道足夠長，設(shè)置足夠多的擋板，無論擋板間隔多大，混合率都可以達(dá)到一個理想的程度，但是考慮到生產(chǎn)成本、加工難度和生產(chǎn)效率等方面因素，擋板間隔不宜設(shè)置過大，在加工技術(shù)和生產(chǎn)成本允許的情況下間隔越小越好。
4 結(jié)論
1) 在原先T型直微通道的基礎(chǔ)上在內(nèi)部設(shè)置了擋板，擾亂了微流體的流動，使得流體間的界面接觸變多，混合效果得到提高，加快了原先表面張力驅(qū)動下緩慢的混合過程。
2) 通過數(shù)值模擬研究，發(fā)現(xiàn)微通道在表面張力驅(qū)動下混合效果隨擋板長度增大而變好；隨擋板間隔增大而變差；擋板寬度對混合效果的影響不大。
當(dāng)然，表面張力驅(qū)動微流體的技術(shù)現(xiàn)在還處于起步的階段，本文旨在為表面張力驅(qū)動下如何提高微通道的混合效果提供一些參考。
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微流體的驅(qū)動與控制是微機(jī)電系統(tǒng)發(fā)展需要解決的關(guān)鍵技術(shù)之一，由于微通道尺寸變得越來越小，所以原先傳統(tǒng)的外力驅(qū)動方式遇到了很大的困難。一般來說微流體的驅(qū)動方式可以分為2種:一種是參照宏觀流體的驅(qū)動方式，如機(jī)械壓差驅(qū)動、離心力驅(qū)動及電水力驅(qū)動等；另一種是根據(jù)微小尺度流體本身的特性而產(chǎn)生的驅(qū)動方式，如表面張力驅(qū)動、熱氣泡驅(qū)動、電滲式驅(qū)動和磁流體驅(qū)動等。而其中，表面張力驅(qū)動由于其不需要外部機(jī)械結(jié)構(gòu)和在微尺度下起到的重要作用而被認(rèn)為具有巨大的應(yīng)用潛力[1]。
微通道的入口和出口部分可以設(shè)計(jì)成T型[2]，Y型[3]或者扇骨型[4]。微通道可以使用不同的材料來制備，包括玻璃、硅和高分子聚合物材料等[5]。毛細(xì)現(xiàn)象在我們生活中很普遍，就是通過表面張力的作用使2種流體的界面上產(chǎn)生毛細(xì)壓力，它是2種不相容流體的界面上的壓力差。毛細(xì)壓力能驅(qū)動毛細(xì)結(jié)構(gòu)中的流體進(jìn)行流動。接觸角小于90°的面即親水的面會在液體的前端面產(chǎn)生拉動液體前進(jìn)的力，因此可以通過涂層等手段來減小微通道內(nèi)部壁面的接觸角，以此來加強(qiáng)毛細(xì)壓力。Zhang等[6]使用逐層納米自組裝技術(shù)將微通道用TiO2納米顆粒涂層，通過表面張力將去離子水在4 s內(nèi)升高到60 mm。Ichikawa等[7]研究了流體在不同尺寸不同截面形狀的矩形微通道和PDMS微通道的界面運(yùn)動，發(fā)展了在矩形微通道中的理論。Lee等[8]介紹了一種數(shù)值三維T型微通道模型并研究了微通道中的毛細(xì)運(yùn)動。將Navier-Stokes方程與表面張力和兩相流特性綜合考慮，分析了2個微通道交界處的毛細(xì)運(yùn)動和流體在交界處的壓力分布。
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1 物理模型及物性參數(shù)
1.1 幾何結(jié)構(gòu)模型
課題組研究的微通道模型是在T型微通道的基礎(chǔ)上，在混合段設(shè)置8塊相同尺寸的擋板，幾何模型如圖1所示。
本微通道模型的寬度W為400 μm，混合段長度L為5 000 μm，入口端長度H為800 μm，第1塊擋板與混合段入口的距離S為500 μm，微通道截面為矩形，深度E為20 μm。同時擋板的長度為a，擋板的寬度為b，擋板之間的間隔距離為c。將擋板的長度a，擋板寬度b及擋板間距c作為變化的參數(shù)。
1.2 流體物性參數(shù)
在本研究中，微通道是水平放置的，因?yàn)橹谎芯课⑼ǖ赖幕旌咸匦?，所以?個入口進(jìn)來的流體工質(zhì)均采用水來代替；流體之間不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，可以忽略溶解熱效應(yīng)，所以能量方程不需要開啟。接觸角為67.5°，水的密度為1 000 kg/m3，水的黏度為8.90×10-4Pa·S，其擴(kuò)散系數(shù)D=10-9m2·s-1，水與空氣間表面張力為0.072 N/m。
2 研究方法
2.1 數(shù)值模擬方法
利用三維作圖軟件SolidWorks畫出三維微通道模型，然后利用ICEMCFD對微通道模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，最后利用FLUENT軟件對劃分好網(wǎng)格的模型進(jìn)行數(shù)值模擬。本數(shù)值模擬采用多相流模型中的VOF模型和組分輸運(yùn)模型，邊界條件設(shè)置為微通道入口為壓力入口，出口為壓力出口，壁面為無滑移條件。流體為不可壓縮牛頓流體，設(shè)置為層流狀態(tài)，由于微流體領(lǐng)域重力的影響很小，因此不需要考慮重力的影響。計(jì)算需要涉及的控制方程是連續(xù)性方程、動量方程及組分濃度方程：
▽·V=0;
(1)
ρV·▽V=-▽p+μ▽2V;
(2)
V·▽C=D▽2C。
(3)
式中：V表示速度矢量;ρ為流體的密度;▽V為速度梯度;p為壓力;μ為動力黏度；C為組分質(zhì)量分?jǐn)?shù);D為組分?jǐn)U散系數(shù)。
本研究將模擬不同擋板結(jié)構(gòu)參數(shù)下微通道內(nèi)流體的混合情況。
2.2 混合性能評價指標(biāo)
為了定量描述混合的程度，用公式(4)來計(jì)算混合的效率。
(4)
式中：M為混合率；N為目標(biāo)橫截面上的節(jié)點(diǎn)數(shù)；ci為目標(biāo)橫截面上節(jié)點(diǎn)對應(yīng)的流體質(zhì)量分?jǐn)?shù)；cm為目標(biāo)橫截面上流體混合充分時節(jié)點(diǎn)對應(yīng)的流體質(zhì)量分?jǐn)?shù)，本文為0.5；σ為目標(biāo)橫截面上流體未發(fā)生混合時流體質(zhì)量分?jǐn)?shù)的偏差，本文為0.5。
混合效率的范圍是從0%到100%混合。
通常情況下，混合段會設(shè)在微通道前部使流體盡可能完全混合。要想混合率盡可能高，微通道的長度將是關(guān)鍵因素。但是本文主要研究擋板結(jié)構(gòu)對流體的混合過程的影響，以及擋板結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對流體混合效果的影響。微通道的長度對混合率的影響本文不討論。
監(jiān)測混合率的截面位置設(shè)在如圖2所示的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ 5個位置處，分別是4塊擋板的中心處以及出口處，5個監(jiān)測位置相隔距離相同。
2.3 網(wǎng)格獨(dú)立性檢驗(yàn)
FLUENT模擬之前，需要對三維模型進(jìn)行網(wǎng)格的劃分，網(wǎng)格的質(zhì)量和數(shù)量決定著模擬的準(zhǔn)確度以及模擬計(jì)算的速度，理論上說網(wǎng)格的數(shù)量越多越精細(xì)，模擬的準(zhǔn)確度越高，但是計(jì)算速度會降低，在有限的計(jì)算機(jī)配置下，必須在保證模擬計(jì)算的準(zhǔn)確度的情況下盡量減少網(wǎng)格的數(shù)量，以此來減少模擬計(jì)算的時間，所以需要進(jìn)行網(wǎng)格獨(dú)立性檢驗(yàn)。
課題組對擋板參數(shù)a，b，c分別為300，100和100 μm的T型微通道進(jìn)行網(wǎng)格獨(dú)立性分析，采用了六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。以微通道出口處的混合率M作為檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，分析結(jié)果如表1所示。
表1 網(wǎng)格獨(dú)立性檢驗(yàn)
根據(jù)表1可得，網(wǎng)格尺寸為5 μm時，相對誤差為3.6%；而網(wǎng)格尺寸為4 μm時，混合率誤差為0.4%，對模擬結(jié)果的準(zhǔn)確度影響不大，因此數(shù)值模擬的微通道網(wǎng)格數(shù)選取在45萬左右。
3 結(jié)果與討論
如圖3所示，可以清楚地觀察到無擋板的T型微通道2種流體不同的界面，混合效果非常差。因?yàn)槲⑼ǖ纼?nèi)的介質(zhì)流動為層流，具有很明顯的分層效果，只能依靠分子擴(kuò)散來完成混合，達(dá)不到理想的混合效果。而在T型微通道中加入擋板后，混合情況如圖4所示，混合效果顯著提高。這表明了內(nèi)置擋板可以增強(qiáng)表面張力驅(qū)動下微通道內(nèi)流體的混合效果。在低雷諾數(shù)的流動中，影響混合效果的主要因素是流體之間的分子擴(kuò)散，而帶有擋板的這種微通道結(jié)構(gòu)使得流體之間的界面間接觸加劇，提高了混合效率。
圖5所示為流體在設(shè)有擋板的T型微通道中的速度云圖。
圖4中設(shè)有擋板的T型微通道內(nèi)流體在表面張力驅(qū)動下，流體的平均流速為0.012 8 m/s。 從圖5可以看到在設(shè)有擋板的通道部分，流體的流速會顯著提升，這是由于流體流經(jīng)的通道截面突變造成的。在微通道內(nèi)的拐角處形成了很小的渦流，流速會升高。微通道截面的流線如圖6所示。
3.1 擋板長度a對混合性能的影響
以微通道中的擋板長度a作為研究的參數(shù)，當(dāng)a分別為100，150，200，300和350 μm，且b=100 μm，c=100 μm時的微通道進(jìn)行數(shù)值模擬。根據(jù)數(shù)值模擬得出的結(jié)果計(jì)算出不同擋板長度在不同監(jiān)測截面的混合率M，如圖7所示。從圖中得出，隨著擋板長度的增大，不同微通道的相同位置監(jiān)測點(diǎn)的混合率M隨之增大，意味著微通道的混合效果越來越好。
不同擋板長度時2種流體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)如圖8所示。
從圖8中可以看到：當(dāng)擋板長度小于200 μm時，微通道的混合效果很差；而當(dāng)擋板長度大于200 μm時，微通道的混合效果顯著變好。如圖9所示，當(dāng)擋板長度低于微通道寬度的中心時，實(shí)際上2種流體還是大致在自己原來的流動軌跡上運(yùn)動，擋板沒有對2種流體的流動做出太大的干擾，沒有讓2種流體進(jìn)行更多的界面接觸，所以混合效果依舊不佳。當(dāng)擋板長度高于微通道寬度的中心時，2種流體在擋板的干擾下改變了原來的流動軌跡，一種流體流動到另一種流體的軌道進(jìn)行更多的接觸混合，所以混合效果較之前有很大的提升。
當(dāng)擋板長度越來越長時，擋板與微通道壁面形成的通道空間處越來越狹小，對2種流體在這個位置的擠壓作用越強(qiáng)，促使流體的混合更加充分。
3.2 擋板寬度b對混合性能的影響
以微通道中的擋板寬度b作為研究的參數(shù)，當(dāng)擋板長度b分別為50，100，150，200，300和400 μm，a=300 μm，c=100 μm時的微通道進(jìn)行數(shù)值模擬。根據(jù)數(shù)值模擬得出的結(jié)果計(jì)算出不同擋板寬度在不同監(jiān)測截面的混合率M，如圖10所示。從圖10中可以看出每個監(jiān)測點(diǎn)的混合率M稍有提高，但是變化不大。如果只改變擋板寬度，可以理解為增加了擋板與壁面形成的那段流道的長度，相當(dāng)于增加了T型直通道的稍許長度，使得混合略微充分了一些，但是沒有改變通道構(gòu)型或再另外設(shè)置障礙物，并不會實(shí)質(zhì)性改變混合效率。所以，擋板寬度的改變對混合率的影響并不大。
不同擋板寬度時2種流體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)如圖11所示。
3.3 擋板間隔c對混合性能的影響
以微通道中的擋板間隔c作為研究的參數(shù)，以擋板間隔c分別為50，100，150，200，300和400 μm，a=300 μm，b=100 μm時的微通道進(jìn)行數(shù)值模擬。根據(jù)數(shù)值模擬得出的結(jié)果計(jì)算出不同擋板間隔在不同監(jiān)測截面的混合率M，如圖12所示。從圖12中可以看出：同一微通道隨著擋板間隔的改變，相同位置監(jiān)測點(diǎn)的混合率產(chǎn)生了變化；擋板間隔越小，相同位置的監(jiān)測點(diǎn)處的混合率越高。
不同擋板間隔時2種流體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)如圖13所示。
從圖13中可知：①流體遇到擋板先收縮，然后在擋板間隔的空間里擴(kuò)張；②流體在若干塊擋板中重復(fù)收縮和擴(kuò)張的狀態(tài)。這種狀態(tài)說明擋板對流線進(jìn)行了擾動。當(dāng)c從50 μm增加到400 μm時，流體混合效率下降，這是因?yàn)閾醢彘g隔增大，擴(kuò)大了流體擴(kuò)張的空間，使得流體分子在這一空間里比較分散。另外，假設(shè)微通道足夠長，設(shè)置足夠多的擋板，無論擋板間隔多大，混合率都可以達(dá)到一個理想的程度，但是考慮到生產(chǎn)成本、加工難度和生產(chǎn)效率等方面因素，擋板間隔不宜設(shè)置過大，在加工技術(shù)和生產(chǎn)成本允許的情況下間隔越小越好。
4 結(jié)論
1) 在原先T型直微通道的基礎(chǔ)上在內(nèi)部設(shè)置了擋板，擾亂了微流體的流動，使得流體間的界面接觸變多，混合效果得到提高，加快了原先表面張力驅(qū)動下緩慢的混合過程。
2) 通過數(shù)值模擬研究，發(fā)現(xiàn)微通道在表面張力驅(qū)動下混合效果隨擋板長度增大而變好；隨擋板間隔增大而變差；擋板寬度對混合效果的影響不大。
當(dāng)然，表面張力驅(qū)動微流體的技術(shù)現(xiàn)在還處于起步的階段，本文旨在為表面張力驅(qū)動下如何提高微通道的混合效果提供一些參考。
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