一种压电无阀微混合器的理论分析与数值模拟

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微混合器是微流体芯片中的重要组成部分,主要用于生化反应前各种试剂的充分混合。因其尺寸小,混合时间短,精确度高等特点,微混合器在化学分析、生物及化学传感、分子分离、核酸排序及分析、环境监测等领域有着广泛的应用前景。近年来,采取措施改善混合效果,减少流体充分混合所需的时间,成为微混合器研究的热点。本文在总结近年来微混合器的发展现状的基础上,提出一种可实现泵送和混合的压电无阀微混合器。压电无阀微混合器是个复杂的多物理因素耦合系统,由于其尺寸微小,结构尺寸、形状、流体的流动特性等因素对它的性能均产生较大的影响。为了探讨该微混合器的内部流动规律,本文具体展开的工作主要有以下几个方面:   1.对基于MEMS的微混合器进行了简要的概述,对微混合器的国内外现状和应用发展前景进行了归纳总结;介绍了微流体混合的基础知识。   2.基于压电基础理论知识,利用有限元分析软件ANSYS对圆形压电振子分别进行模态分析和瞬态动力学分析,得到正弦电压驱动下的压电振子在一阶固有频率下的动态特征,并拟合得到压电振子断面上的任意点在任意时刻的位移公式。   3.基于微流体混合和无阀微泵的工作原理,介绍分析了压电无阀微混合器的结构构造和工作原理。对变形Tesla混合旨进行数值模拟,从混合管方面说明了微混合器实现泵送和混合的功能,并对混合管进行了参数化结构优化,得到了一较理想的混合管结构。   4.针对压电振子的运动特征,采用C语言进行UDF编程,将程序进行编译并调入Fluent软件,作为运动边界,结合动网格技术,通过间接耦合的方法对微混合器进行动态数值模拟。得到了压电无阀微混合器内部流场特征,由其动态特征可得知采用动网格模型来设定压电振子运动边界是正确可行的。并采用动网格模型研究分析了驱动频率,压电振子振幅,泵腔高度对微混合器泵送和混合效能的影响,为无阀压电微馄合器的优化设计提供了一定的依据和参考价值。
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