论文总字数：17872字

摘 要

随着微电子机械的蓬勃发展，微流控平面混合器在我们的物理仿真研究和现实生活中占据着越来越重要的比重。在微流控平面混合器中电渗透微混合器又是微混合器研究领域的重中之重。本文针对一种简单的电渗透微混合器的工作原理解析并利用COMSOL进行多物理场建模进行有限元分析。

论文主要研究了周期性变化的交流电场对微混合器的影响且改变相应参数对微混合器混合效率的影响。

研究结果表明：周期性变化的交流电场使得管道壁面产生了不一致的电渗速度，扰乱了微混合器内的流动规律，促使微混合器内的流场成不规则流动且伴有不规则的涡流，致使微混合器的混合效率得到了极大地增强。此电渗透微混合器的混合效率随着初始速度增加、环形混合室内部空间增长以及长宽比的减小而降低。

本文特色：电渗透微流控平面混合器的原理建模并进行了有限元分析，研究了电渗透微混合器混合效率的影响参数。

关键字：电渗透、微混合器、COMSOL、有限元分析

Summary

With the vigorous development of microelectronic machinery, microfluidic planar mixers occupy an increasingly important proportion in our physical simulation research and real life. In the microfluidic planar mixer, the electroosmotic micromixer is the top priority in the field of micromixer research. This paper analyzes the working principle of a simple electroosmotic micromixer and uses COMSOL for multiphysics modeling to perform finite element analysis.

The thesis mainly studies the influence of periodically changing AC electric field on the micro-mixer and changes the corresponding parameters on the mixing efficiency of the micro-mixer.

The results show that the periodically changing AC electric field causes inconsistent electroosmotic velocities on the pipe wall, disturbs the flow law in the micro-mixer, and promotes the flow field in the micro-mixer into irregular flow with irregular vortex , So that the mixing efficiency of the micro mixer has been greatly enhanced. The mixing efficiency of this electroosmotic micromixer decreases as the initial velocity increases, the space inside the annular mixing chamber increases, and the aspect ratio decreases.

Features of this paper: The principle modeling of electroosmotic microfluidic planar mixer and finite element analysis are carried out to study the influence parameters of electroosmosis micromixer mixing efficiency.

Keywords: electroosmosis, micro-mixer, COMSOL, finite element analysis

目录

第一章 绪论 1

1.1 课题的研究内容及意义 1

1.2 国内外的研究现状 2

1.3 本文主要研究内容 4

第二章 仿真理论基础 6

2.1 理论依据 6

2.2 仿真方法 6

2.3 数值仿真 8

2.4 电渗透微混合器物理建模 8

第三章 微混合器的仿真结果与讨论 10

3.1 边界条件和解析模型 10

3.1.1 边界条件的确立 10

3.1.2 解析方式 11

3.1.3 网格划分及无关性验证 12

3.2 仿真模拟结果讨论 13

3.2.1 混合效果 15

3.2.2 时间对比 15

3.2.3 长度关系 15

3.3 影响参数分析 16

3.3.1 初始流速 16

3.3.2 环形混合室外部直径 17

3.3.3 壁宽度 18

3.4 本章小结 19

第四章 结果与展望 21

参考文献 22

第一章 绪论

1.1 课题的研究内容及意义

随着科学技术的飞速发展，我们对于微型系统的研究越发的深入了解并在越来越多的领域中得到广阔的发展^[[1]]。微流控伴随着微细加工的快速发展具有越来越重要的作用，例如生物芯片的应用必须应用到微流控的微型加工工艺。而在微流控系统中微型混合器的制备能力与否直接决定了微流控的混合效率，因此微混合器可以说是微流控中的重要组成（解决了多股流体的快速有效混合的地方就是微混合器）。微流控系统已经成为了当今世界发展的最重要的研究之一，而微混合器亦是重中之重^[[2]]。

微流控是最新的一种世界前沿科技，其在电子设计制造的微型化研究方面占据着很大的比重，是新世纪发展的全新领域^[[3]]。它通过微流控的装备设施中的微型通道针对微量的液滴在微观上的尺度进行控制、处理以及操控。微型混合器装置是以各种操作单元集成化和微型通道网络划分为特点的一种微流体芯片，可以完成样品的制作、合成、分解和检测的集成，更甚至可以进行微流控装置的调节和控制^[[4]]。上世纪末，一系列微流控的科学家首次提出了关于微流控全分析系统的概念，紧接着各类精英加入到了微流控全分析系统的研发中，陆续研发了一系列的微流控系统和微流控芯片。在诸多的科学实验中对流体需要经常性的配制等操作^[[5]]。倘若需要将试样制备、生化合成、结果检测等相关技术集成在微生物芯片上，那么物理仿真时所需要的液体的量将提升至纳升、皮升级，此时微流体系统将成为实验制备的最主要的手段^[[6]]。因此，随着生物芯片发展的越来越快，微流体技术也会伴随其的脚步得到飞速的发展具备着更加广阔的发展空间。然而微流控技术并不会着眼于特意缩小相关设备的尺寸大小，而是更加着重于研究更加繁杂的与微流控相关的混合及制作过程，着重于微流体通道内部关乎混合效率的相关参数的确定^[[7]]。由于微流控技术不着重于相关设备的尺寸，所以微流控系统的相关设备与宏观流控的相关设备类似（泵、阀、混合器、分离器、过滤器）。微流体通道和微电子器械相比在尺寸上存在很大的差异，微流体通道的尺寸相对来说更加的大，但是与之相对的流体却小了数倍。流体流动在微通道以及在人们肉眼可见的宏观性的流动存在着本质的区别，因此各种微型器件与宏观的器件相差也是巨大的^[[8]]。

由于样品混合时消耗过大不利于样品的制备和产生，为了避免此类事情，首先应该做的是让组成不同的各类流体在最短的时间内进行高速高效的混合，如此之后各类流体混合不仅能更好的增加混合效率还能增加反应速度。流体介质在宏观上基本具有粘度大且扩散系数小的特点，不同的流体间的相互混合大多是通过分子间的扩散而成。然而通过不同流体间的分子扩散能力并不能满足微流体的混合效率和反应速度的要求，因此我们需要研发出更有用的方法和技术。而微流体在不同介质的快速混合效率和反应速度就成了制约微流控芯片广泛应用于现实的最重要的瓶颈之一^[[9]]。由此可见，提高微混合器的效率和速度成为了当下科学研究的一个重点，同时吸引国内外越来越多的研究人员前往这一新兴领域探索并研发也为交叉领域发展提供了更大的挑战。微流动混合器是时下最火热的领域，在该研究领域有助于提高微流控系统的微小型化，大大节约了经济成本和安全系数，在日常生活和生产以及实验研究中存在着不可争议的重要作用^[[10]]。

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