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微流体混合研究及评价方法

微通道内流体混合效果研究方法可以分为两大类:一是实验研究;二是数值研究。实验研究通过流体混合实验,借助微流体显示技术对混合效果进行直观的评价,如何处理测得的实验数据也是关键所在。数值研究主要通过计算流体动力学(CFD)方法,借助计算机强大的计算能力去模拟流体实验,最终获得流场混合数据。实验法测得结果具有较高可信度,但实验不确定性大,面临困难多,此外还需要配备高昂的实验设备。数值方法具有费用低、周期短及数据全等优点,且其计算精度能够较准确的预测出微通道内流体混合状态,在混合效果研究及评价中得到广泛运用。

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1.1 实验研究


实验研究大多借助微流体显示技术,包括激光诱导荧光流动法(Laser induced fluorescence,LIF)、粒子成像测速法(Particle Image velocimetry,PIV)、激光多普勒测速法(Laser Doppler velocimetry,LDV)、试剂反应法等,微流体显示技术不接触流体,对流场几乎无干扰,因此能够得到较为准确的流场数据。


(1) LIF技术在流体中添加光敏染料作为示踪物,通过紫外线对其进行照射可将示踪剂释放,然后在激光照射下显示出荧光,最后借助高速摄像机可拍摄得到通道内流场信息。


(2) PIV显示技术与LIF类似,但其对示踪物的大小有一定要求,即示踪物尺寸必须小于可见光波长,同时激光发射需要非弹性散射技术。特别是将PIV显示技术应用于微通道混合研究中时,对其分辨率及灵敏度有更高的要求。


(3) LDV测量技术主要用于测量流体中某点流速。主要依靠单位时间内穿过某截面的流体体积进行计算,其不足在于只能测出速度大小而不能确定其方向。目前已研究出含7个测量体多普勒测速仪,但对于微流体系统,其对于空间方向分辨率还是太低,无法得到准确结果。


(4) 试剂反应法适用于发生反应化学试剂,可在显微镜下观察两种化学试剂发生混合后变色的整个过程,进而对微通道内流体混合性能进行分析。这种技术设备简单,易操作,但是得不到定量的数据。


1.2 数值研究


数值研究主要采用计算流体动力学方法,将流体实验通过计算机进行数值模拟,最终获得流场情况。它具有费用低、周期短及数据全等优点,被广泛应用于流体研究中。此外,数值方法能够避免实验中出现的各种困难,实验重复性高,对设备开发与优化提供必要的技术支撑。


数值模拟计算过程基本包括三大部分:


(1) 前处理部分。对物理模型进行适当简化,建立适用的几何模型,然后通过网格划分技术将几何模型进行空间离散,以便后续进行方程的建立。


(2) 流体计算部分。设定几何模型定解条件(初始条件或边界条件)、流体物性参数、计算方法、计算精度、收敛依据等条件,通过计算机强大的计算能力得到物理问题的离散解。


(3) 后处理部分。通过后处理可获得微通道内流场的全部数据信息,绘制云图或将需要的数据导出进行数据分析。


1.3 评价方法-混合指数


标准差是概率统计中概念,对给定数据的波动大小进行描述。可以借鉴标准差来衡量流体分布均勾程度,