特斯拉型混合器中障碍物布局的优化

微混合器作为一种可以实现快速、高效的混合设备在生物分析、化学反应和检测等领域中应用,特斯拉阀因其简单的结构和特殊的流动机理常应用于微混合器的结构设计中。为提高混合效率,在特斯拉型混合器中添加菱形障碍物,并基于流场分析对其布局进行了优化和实验验证。以混合率和压降比值最大为优化目标对菱形障碍物在特斯拉型微混合器布局进行优化,经过优化得最优菱形障碍物尺寸为46.35 μm,最优横向偏移量为18.78 μm,最优竖向偏移量为20 μm。基于优化结果,设计并制作了添加菱形障碍物的特斯拉型微混合器并对微混合器的混合效果进行实验验证。结果表明设计优化的菱形障碍物特斯拉型微混合器与未添加障碍物时的特斯拉型微混合器相比在相同条件下具有更高的混合效率。     

TWEO微流体驱动理论模型与实验研究

为研究行波电渗(TWEO)微流体驱动,在封闭微通道内TWEO微流体驱动进行了仿真和实验分析。根据双电层电荷分布规律,建立了行波电渗微流体驱动理论模型;通过对行波电渗电场和流场问题的求解,获得了封闭通道内流场仿真结果,并与实验结果相比较,验证了相关理论的正确性;对微通道内2/3高度处微流体流速进行仿真与实验结果分析,结果显示电渗流流速与频率的关系满足正态分布,为进一步展开对行波电渗微流体驱动及其在芯片实验室中的应用奠定了基础。     

利用压电微泵驱动和脉动混合可控合成金纳米粒子

为了合成粒径均一、单分散性好的金纳米粒子,提出一种压电驱动式脉动微混合可控合成金纳米粒子的方法。该方法采用两腔三阀结构的压电微泵作为驱动源,结合Y形微混合器,基于两压电微泵脉动交叉式输出性能来实现多种不同混合模式的可控混合。利用Fluent软件对Y形微混合器内不同流量及频率下的混合效果进行了优化分析,优选出了压电微泵的控制参数。在实验室内设计、制作了用于金纳米粒子可控合成的系统样机,并开展了相应的金纳米粒子可控合成试验。试验结果表明：电压为40 V,频率为300 Hz时,合成的金纳米粒子粒径较为均一,分散性较好,该结果验证了文中所提方法的可行性。此方法亦可应用于其他纳米粒子的可控合成。     

微通道内交变电场电渗流有限元分析

基于有限元方法,以粘性不可压缩流体N-S方程和双电层P-B方程为基础,建立交变电场驱动微通道电渗流模型,并进行数值模拟,分析溶液浓度、电场强度和微通道高度对电渗流的影响。结果表明,微通道内双电层滑移速度与电场强度成正比,受微通道高度影响较小,随溶液浓度的增大非线性减小。同时,微通道高度和溶液浓度的增加使双电层相对厚度减小,交变电场电渗流瞬时速度的波峰更加尖锐。该结论为微通道内交变电场电渗流精确控制提供了理论参考。     

主辅通道型微混合器的设计与制作

为了实现微量液体的快速均匀混合,设计了一种PDMS双层结构的新型微混合器。研究了混合器的制作方法以及几何尺寸和Re数对混合的影响。依据Fick第一定律介绍了主辅通道型微混合器的设计原理;采用有限元方法对不同几何尺寸及Re数下混合器中液体的速度流场及浓度场进行了数值模拟;数值分析显示,随着主辅通道出口宽度比的减小,通道长度的增加和雷诺数的减小,混合器的混合率增加。最后,依据仿真结果制作了主辅通道深度比为0.71,出口宽度比为1,通道长度为9mm的微混合器并进行了去离子水和红墨水的混合实验。实验结果表明:当Re5时,设计的混合器能实现液体的快速混合,并且混合率随着Re的减小而增大,基本满足低Re数下微量液体快速均匀混合的要求。     

交变电场电渗对微混合影响的数值分析

利用交变电场电渗,在微通道内诱发混沌流,以提高流体混合效率,并对其进行了数值模拟研究。基于有限元方法采用COMSOL软件对流体混合过程进行数值仿真,分析了交变电场强度、电场频率、电极对数和电极极性等参数对混合效率的影响。结果表明,交变电场电渗能够在微通道内产生混沌流,有效地提高微通道内流体的混合效率;提高交变电场强度、电场频率以及电极对数均可提高微通道内流体混合效率;当相邻两对电极极性相反时,混沌流更加显著,流体接触面积更大,因此可获得更好的混合效果。     

3D-不对称菱形被动式微混合器混合特性

提高微混合器雷诺数的适用范围和混合强度是微混合器设计的发展趋势。本文基于非对称分离重组混合原理设计、制作了一种3D-不对称菱形被动式微混合器,并借助数值分析方法和可视化实验对混合强度和混合状态的变化进行了研究。研究发现:在低Re(0.01~10)范围内,两组分间的混合以扩散混合为主,随着Re的增加,流速对混合强度的影响有一定下降;在较高Re(10~200)范围内,受流速增加的影响,流体间不平衡微流惯性碰撞逐渐成为影响混合的主要因素。此时,混合强度随流速的增加逐渐增强并趋于平稳。对Re在0.01~200内的微混合器展开研究,分析了宽缝比Ws/S、分合角θ、宽厚比H/S等结构尺寸对混合强度的影响。通过综合考虑流体混合强度和通道压降的变化情况,确定最佳通道结构尺寸为Ws/S=0.2、θ=45°、H/S=0.5,此时微混合器的混合强度可维持在78%以上。与传统平面对称分合式混合器相比,设计制作的3D-不对称菱形被动式微混合器混合强度有较大的提高,验证了本文设计结构的有效性。     

基于电泳分离的生物芯片的设计与改进

在一种低压驱动电泳分离的阵列电极模块基础上，设计制作了一款电泳分离用的基于1VIEMS技术的微流体沟道芯片，与电极模块及控制检测系统共同组成微全生物芯片系统。通过控制系统进行了一系列电泳实验，根据实验结果确定了沟道芯片的最佳尺寸参数。对阵列电极模块进行了改进，在上面增加了一对检测电极，通过比较几种检测方法选择对电泳分离实验进行阻抗检测，以实现检测系统的微型化。通过基于单片机的检测系统对电泳实验分离结果进行一系列的阻抗检测实验，实验结果证明检测电极的设计是可行的。     

考虑最小尺寸控制的压力驱动柔顺机构拓扑优化设计

拓扑优化设计的压力驱动柔顺机构拓扑构型容易出现类铰链结构,导致难以制造加工。为了满足制造工艺要求,提出一种考虑最小尺寸控制的压力驱动柔顺机构拓扑优化设计方法。采用改进的固体各向同性材料惩罚模型,利用达西定律结合排水项计算流体压力载荷,以机构的互应变能最大化和应变能最小化为优化目标,采用Otsu算法和拓扑细化算法提取柔顺机构的骨架特征,从而构建最小特征尺寸控制,以结构体积和最小特征尺寸作为约束,建立考虑最小尺寸控制的压力驱动柔顺机构拓扑优化模型,采用移动渐近线算法进行压力驱动柔顺机构拓扑优化问题求解。数值算例结果表明,所提设计方法获得的压力驱动柔顺机构最小特征尺寸满足约束,能够有效地抑制类铰链结构,并且分析不同最小控制尺寸对柔顺机构拓扑优化结果影响规律。     

微流体速度流型影响因素数值模拟分析

微流体速度流型对微流控芯片分离分析和混合反应效果都有重要影响。本文采用数值分析的方法研究在压力驱动和电渗驱动方式下管道大小与形状、弯曲管道以及表面粗糙度对微流体速度流型的影响。模拟结果表明管道的形状和大小对微流体的动量传递有很大的影响,进而影响微流体的速度流型。电渗驱动下弯道引起的弯道内外径速度差可以通过改变弯道形状和电渗强度的方法进行改善。对摩擦力的模拟中发现小管径密集粗糙颗粒的情况下得到的流型是最好的。模拟结果对微流控芯片的设计加工具有一定的指导意义。     

微流体混合器的研究现状

简单介绍了微混合器，主要综述了微混合器的国内外研究现状及其混合机理，对微混合器研究中所遇到的几个问题加以讨论，展望了微混合器的研究前景。     

RGB色彩模型在气动微混合芯片中的应用

研究提出一种基于气动薄膜的微混合器及基于数字图像的混合效率量化分析方法。给出了利用RGB(Red,Green,Blue)色彩模型、灰度转换模型和方差数学模型对微混合腔内不同试剂的混合程度量化分析方法,并利用聚二甲基硅氧烷(PDMS)材料和软刻蚀方法对微混合芯片进行封装。采用实验研究方式使微混合腔内两种不同颜色试剂充分混合,利用混合程度量化分析方法对微混合腔内混合效率进行量化分析,并与自然对流混合效率进行对比。与传统计算混合效率的方法相比,基于RGB色彩模型的混合效率量化方法更简单、直观、有效和方便。     

可筛选乳胶微粒的介电泳陷阱和微马达: 从分立单元到片上实验室

提出了可分析、筛选乳胶微粒的介电泳陷阱与微马达,并以此为核心单元讨论了片上实验室的组建。设计了可集中样本预处理、分离筛选与微马达驱动等多个功能于一体的微分析芯片,并优化了各分立单元的作用效果。用新的螺旋-叉指和螺旋-城堡电极代替传统的螺旋状或者叉指、城堡状电极,可以不必借助电渗流的作用分开大小不同的乳胶微粒,分离效率达90%以上。当激励信号为驻波时,样本分离电压比普遍使用的行波信号降低50%。对于起介电泳筛选作用的城堡状电极进行了侧向和轴向的非均匀化处理,提高了对微粒尺寸的敏感性,可以将70%的小微粒从混合液中分离。有限元分析和实验结果表明,与参考文献中提到的芯片结构相比,电极的新排布方式增加了轴向场强梯度,分离电压比传统方法降低了80%。另外,微马达和探测电极的集成,为旋转性质的测电学量提供了便利。     

典型微管道流场数值模拟与Micro-PIV检测研究

针对微流体器件中几种典型微管道进行了理论与试验研究,采用CFD流场仿真技术对压力驱动方式下90°折管、突然扩散管、弯管三种流道的流态进行数值模拟,重点介绍了电渗驱动的流场仿真技术,并以十字交叉微管道为对象进行电渗流场仿真;同时采用玻璃微加工工艺制造了上述四种微流道模型,并通过Micro-PIV技术对其相应条件下的流场进行试验测试,并定量对比与分析了仿真与试验结果,结论显示Micro-PIV是适合于微米级流场检测的最有效试验手段之一,同时通过试验也验证了N-S方程在微米级流场数值计算中是依然适用的。     

汽车车身耐撞框架结构设计研究

为求解车身耐撞框架结构非线性耐撞拓扑优化问题,提出了基于能量控制混合元胞自动机的拓扑优化方法。首先运用LS-DYNA显式有限元算法,以混合元胞自动机作为优化计算模型,根据比例局部控制规律确定设计变量中的局部改变,同时在拓扑结构中划分柔性区域和刚性区域并赋予其不同的设计尺寸和质量分数约束,增加能量控制约束及最优约束条件选取。然后通过单工况和多工况连续体拓扑优化说明该方法的可行性和准确性。最后,将方法用于汽车前保险横梁的设计,耐撞性能得到明显提高,说明该方法具有很好的工程实用价值。     

基于分合式混合单元的微混合器设计与研究

为实现微尺度下流体的快速均匀混合,基于对流体的分割、合并实现流体间接触面积指数式增长的原理,提出了一种分合式(SAR)混合单元,通过仿真对其支路夹角进行了优化,并最终确定支路夹角θ=70°.利用成熟的标准SU-8光刻及PDMS制作工艺,制作了分合式与组合分合式两种微混合器.采用甘油-水按体积比5:95(0.000 97...     

毛细管电渗流微泵的流体动力学的数值仿真

利用电渗流(EOF:Electroosmotic flow)机理制作出的微泵,以其体积小、噪声低、易于控制和结构简单等优点,在药物输送、生化合成及微机电系统(MEMS)中得到了广泛的应用。以实现CPU的温度控制为目标,对电渗流泵的控制及速度、压力间的关系进行了分析。应用无网格法(Meshless/meshfree)对Laplace方程、Poisson-Boltzmann方程、Navier-Stokes方程进行数值求解。数学模型不仅可以仿真几何形状简单的直管内微流体的驱动过程,也可以仿真几何形状复杂、ζ电势较大条件下的微流体的流动情况,为电渗流泵的设计提供了仿真模型。主要讨论通过改变外加垂直电势和ζ电势,实现对电渗流泵的控制以及电渗流泵所能承受的背压问题。     

基于Dahl模型的压电陶瓷微夹钳控制研究

针对微零件装配工艺的需要,开发了一套基于压电陶瓷驱动的微夹钳,建立了压电陶瓷驱动微夹钳位移与电压的关系模型,针对压电陶瓷迟滞现象提出了基于Dahl模型的前馈补偿控制和PID混合控制算法,微装配实验证明该模型结构控制效果好,能达到控制要求。     

微电容加速度计结构的热固耦合拓扑优化

基于连续体结构拓扑优化的SIMP材料插值模型,建立了热固耦合场结构的有限元控制方程;通过伴随矩阵方法,研究了热固耦合场的敏度分析问题;以叉指式微电容加速度计质量块受热膨胀后,在加速度检测方向的最大形变不大于某一给定值为目标,以质量块的体积比为约束条件,建立了质量块结构的热固耦合拓扑优化模型;采用优化准则算法进行迭代求解后,得到了微电容加速度计质量块的最优拓扑形式,当工作温度在0～300℃范围内变化时,该拓扑形式在加速度检测方向的最大形变仅为23.9nm。     

一种基于水平集函数的尺寸优化方法及应用

针对构建结构拓扑、形状、尺寸的统一优化模型的需求,采用水平集函数描述结构尺寸要素的方法,建立了基于水平集法的结构尺寸优化模型。该方法采用水平集函数描述规则孔洞的几何尺寸信息,并通过引入紧支径向基函数进行插值,将尺寸变量转化为基函数的扩展系数。将基于水平集法的尺寸优化方法与基于水平集法的拓扑形状优化方法融合,构建了结构统一优化模型,实现了结构尺寸、拓扑和形状的综合优化。