一种基于复合侧壁微结构增强混合效率的被动式微混合器

技术领域

本发明涉及微流控系统中微混合、微反应技术领域，具体涉及一种基于复合侧壁微结构增强混合效率的被动式微混合器。

背景技术

微流控技术具有样品需求少、分析速度快、试剂消耗少和通量高等显著优点，其研究及应用极大地推动了生物、医学等领域的发展；而微混合器作为微流控系统中的一个重要功能单元，是微流控系统实现生物化学反应、药物传输及分析检测的基础。根据是否存在外界能量干扰，微混合器可以分为主动式和被动式两类，其中被动式微混合器不依靠外界场，更加符合微流控系统在便捷化和集成化方面的要求。

目前的研究主要通过以下三种方式来提高被动式微混合器混合效果：第一种是对流体流线进行拉伸与折叠，增大流体间的接触面积，如低雷诺数下的内置阻块型微混合器；第二种是使流场内流体速度方向不一致，产生二次涡流，涡流拉伸了流体的界面面积，如构成弯曲流道或侧壁上带有凸起结构的微混合器；第三种是将沿不同方向流动的流体汇合，通过流体之间的碰撞拉伸了流体的界面面积，如分离重组型微混合器。然而，被动式微混合器尤其是平面式被动微混合器，在适用雷诺数范围及混合效果等方面普遍存在一定的限制，近年来研究人员针对不同种平面被动式微混合器及三维被动式微混合器混合效果进行了对比分析，Tesla型及H-C型被动式微混合器的混合效果相对较好，但在应用方面还是存在压降过大、集成化低等问题。

自然界存在的微观结构都具有其独特的功能，如鲨鱼表面存在的高度有序的鳞刺结构，这种横向结构可以降低垂直于流动壁面方向的速度梯度，产生微涡旋，将流体摩擦阻力转化为摩擦驱动力，实现优异的减阻功能；如星状幼虫表面纤毛的睫状缠结，这种拓扑缺陷可以使得周围的流场出现阵列的反旋涡旋，并且可以分解和重新形成，不仅推动了幼虫的游动，还带动其进行捕食。除了存在于大自然中，微观结构也可以应用于工程问题的解决，目前的研究已表明，在微流道中引入微尺度结构，可以对流体产生约束与诱导作用，能够有效改善局部流场状态。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供了一种基于复合侧壁微结构增强混合效率的被动式微混合器，利用微结构调控局部流场状态，可以为微尺度下被动混合效果的提升，在较宽的雷诺数范围内有效提升被动式微混合器的混合效率。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种基于复合侧壁微结构增强混合效率的被动式微混合器，包括主流道3内部设有复合侧壁微结构4；

所述复合侧壁微结构4是在被动式微混合器内交错的倾斜内肋结构的基础上，在每一个内肋结构对应侧壁上分布一对梯形微结构，梯形微结构高度小于主流道3宽度的四分之一，由此而形成复合的、跨尺度的侧壁微结构。

所述的复合侧壁微结构4的倾斜内肋结构的高度大于主流道3的半宽度，沿主流道3侧壁交错阵列分布；而复合侧壁微结构4的对应侧壁梯形微结构的高度小于其倾斜内肋结构的半高度，沿倾斜内肋结构短边中心对称倾斜分布。

所述的主流道3的入口通过两个T型两入口流道2和两个进液口1连接，主流道3的出口和出液口5连接；两个进液口1分别位于T型两入口流道2上游，直径略大于T型两入口流道2宽度；两个T型两入口流道2长度相同，T型两入口流道2和主流道3的宽度相同；主流道3采用直流道；主流道3内设有的复合侧壁微结构4类似内肋结构，高度与主流道3高度相同，沿主流道3周期阵列分布；出液口5位于主流道3下游，所有复合侧壁微结构4之后。

所述的一种基于复合侧壁微结构增强混合效率的被动式微混合器采用一体化成型方法加工而成。

相比于现有技术，本发明具有如下优势：

1)本发明被动式微混合器，具有较好的混合能力，易于制造，可采用一体化成型方法，可应用于微流控系统，实现高效的混合、化学反应、生物分析检测。

2)本发明利用复合侧壁微结构4可以改善传统被动式微混合器由于内肋结构高度过高而产生的流道压降过大的问题，进一步增强被动式微混合器的集成能力。

3)利用复合侧壁微结构4在较宽的雷诺数范围内提升被动式微混合器混合指数的能力，采用简单微流道，如直流道、弯曲流道、分离重组流道等，都可以实现较均匀的流体混合，能够简化微流道复杂程度，可适用于不同类型的微流道内。

附图说明

图1为本发明实施例的三维结构图。

图2为本发明实施例以及基于两种相对高度不同的传统交错斜内肋结构的被动式微混合器的平面结构图。

图3为本发明实施例以及基于两种相对高度不同的传统交错斜内肋结构的被动式微混合器在较宽的雷诺数范围内工作时的混合指数。

图4为本发明实施例以及基于两种相对高度不同的传统交错斜内肋结构的被动式微混合器在较宽的雷诺数范围内工作时的压降值。

具体实施方法

以下参照实施例及附图对本发明进一步详细说明。

如图1所示，一种基于复合侧壁微结构增强混合效率的被动式微混合器，采用一体化成型方法加工而成，包括两个进液口1，进液口1通过T型两入口流道2和主流道3的入口连接，主流道3的出口和出液口5连接，主流道3内部设有复合侧壁微结构4；进液口1、T型两入口流道2、主流道3、出液口5形成T型流道。

两个进液口1分别位于T型两入口流道2上游，直径略大于T型两入口流道2宽度，将不同种流体引入微混合器入口流道；两个T型两入口流道2长度相同，与主流道3的入口交汇，T型两入口流道2和主流道3的宽度相同，使得不同种流体在主流道3内汇合；主流道3采用直流道，减少流道复杂程度。

主流道3内设有的复合侧壁微结构4类似内肋结构，高度与主流道3高度相同，沿主流道3周期阵列分布，促进不同种流体在主流道3内均匀混合；出液口5位于主流道3下游，所有复合侧壁微结构4之后，混合后的流体可从出液口5流出。

如图2所示，基于复合侧壁微结构4的实施例S1是在传统被动式微混合器内交错的倾斜内肋结构的基础上，在每一个内肋结构对应侧壁上分布一对梯形微结构，梯形微结构高度小于主流道3宽度的四分之一，由此而形成复合的、跨尺度的侧壁微结构。其中，复合侧壁微结构4的倾斜内肋结构的高度大于主流道3的半宽度，相对于主流道宽度的高度为0.65，沿主流道3侧壁交错阵列分布，与相对高度较小的传统交错斜内肋结构S2的高度相同；而复合侧壁微结构4的对应侧壁梯形微结构的高度小于其倾斜内肋结构的半高度，相对于主流道宽度的高度为0.2，沿倾斜内肋结构短边中心对称倾斜分布，其倾斜内肋结构与对应侧壁梯形微结构的相对高度之和与相对高度较大的传统交错斜内肋结构S3的高度相同。

基于复合侧壁微结构4的实施例S1，通过增加流道内流线局部曲折度及二次涡流数量，在较宽的雷诺数范围内增强被动式微混合器的混合效率。

被动式微混合器的主流道3为直流道，流道宽度为600μm，内置5组周期阵列分布的复合侧壁微结构4；在较宽的雷诺数范围内，该被动式微混合器在较宽的雷诺数范围内工作时，相比于两种相对高度不同的传统交错斜内肋结构S2、传统交错斜内肋结构S3，本实施例S1能够有效提升被动式微混合器的混合效率：

在低雷诺数下，在扩散传质作用下，相比于相对高度较小的传统交错斜内肋结构S2，本实施例S1使得主流道3内的部分流道宽度减小，垂直于流动方向的浓度梯度增加，混合指数较大；相比于相对高度较大的传统交错斜内肋结构S3，本实施例S1使得主流道3内的部分流道宽度近似，局部的流体曲折度增加，扩散传质的面积增加，混合指数略大，如图3所示。

在高雷诺数下，在对流传质作用下，相比于传统交错斜内肋结构S2、S3，本实施例S1改变了主流道3内局部流场的状态，使得流体与两个侧壁分离，在一对斜内肋结构及它们相连的侧壁上均产生了负压，导致斜内肋结构内的涡流由从单涡变成了两个壁面上成对出现的双涡，且对应侧壁梯形微结构处新产生了较小涡流。复合侧壁微结构4使得主流道3内的对流传质总体上增强，混合指数提升，如图3所示。

此外，在较宽的雷诺数范围内，相比于相对高度较小的传统交错斜内肋结构S2，本实施例S1相当于内置的微结构，由此增加的壁面压差阻力使得主流道3内的压降较大；相比于相对高度较大的传统交错斜内肋结构S3，本实施例S1相当于外凸的微结构，由此降低的壁面压差阻力使得主流道内的压降较小，如图4所示。相比于上述的两种传统交错斜内肋结构，本实施例S1可使被动式微混合器具有最大的混合指数和较小的压降，在混合性能上更具有优势。