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浅析微流体系统中的扩散和混合

更新时间:2019-06-18 08:31

  

在微高博亚洲流体系统中,经常涉及到流体的扩散和混合问题,有效控制扩散和混合对化学分析速度和效率的提高,对微流体器件的设计和制造具有十分重要的意义。


浅析微流体系统中的扩散和混合


1.微观尺度的流动特点


1.1尺度效应


宏观尺度下研究流动问题的一个重要假设就是连续介质假设。当所研究问题的特征尺寸远远大于流体分子的平均自由程时,我们将流体作为一种连续体对待,认为流体的分子结构和分子的热运动只能通过影响流体本身的热力学特性来间接影响流体的宏观运动。


在微米尺度甚至纳米尺度下研究问题时,特征尺度就与分子平均自由程相近或者还小于分子平均自由程,这时连续介质假设就不再适用了。较极端的情形就是分子平均自由程大于通道特征尺度的自由分子流情况,此时分子之间的内摩擦作用消失,可以忽略分子之间的碰撞,分子与通道壁面的碰撞占据主要地位。值得注意的是当尺度还未下降到小于分子平均自由程的程度时,在相当的范围内,流体的运动并非是这种“自由”分子流,分子之间的碰撞并不能忽略,而且这些分子在运动过程中仍然表现出一些类似于宏观尺度下流动的特性,所以基于此考虑,我们暂且称之为分子流(Molecular Flow),以表明这是一种既不同于连续介质假设下的流动,又不同于自由分子运动的一种运动状态。在这种情形下,宏观尺度流动的一些基本概念如密度、压力、层流、湍流等是否需要重新定义或直接引入应用仍需要做进一步的探讨。


1.2壁面粗糙度


在宏观系统中,当壁面光滑或是壁面粗糙度较低时可以忽略壁面粗糙度对层流流动的影响,而微通道结构的壁面粗糙度较大,其对微通道内流体的流动就会产生不可忽视的影响。在微混合管道内,壁面粗糙元对微流体的微小扰动都能通过影响主层流区的流动状态从而影响整个微通道内流体的流动,流场的近壁区也会出现明显的涡结构。另外,粗糙元的布置方式在一定程度上也能改变流体流动的状态,王玮等利用表面对称或交错布置的规则凸起结构对平板间微尺度层流流动进行数值模拟,研究得出壁面粗糙元的存在影响了近壁面区的压力分布,形成一个逆压梯度,导致层流流动阻力的增加,同时壁面粗糙元的大小、分布密度以及布置方式对层流流动也有一定的影响。


1.3表面张力效应


表面力是指两个表面间存在某种流体介质时相互间的作用力,表面力与物体间的粘附性、粘结性、润湿、润滑、流体在壁面的铺展、表面覆盖、摩擦力等现象有关,主要包括微尺度下的表面张力、表面吸附力、表面摩擦力、表面吸收力和表面亲和力。其中表面张力是由物态内部的吸引力导致的,是指在气体分子的作用下液体表面的分子有向内部收缩的趋势,在微观条件下表面张力是一个重要的影响因素。


1.4传热特性


在传热学中,层流的对流换热系数如下所示:


其中,l是特征尺度。特征尺寸的量级由cm变成μm,即l减小4个数量级,α比宏观条件下高1-2个量级。微观尺度下流体的流径路程很短,所以附面层很薄,相同温差下平均温度梯度大,明显提高了换热强度,因而这一特点广泛适用于放热反应温度的控制。


1.5流体粘度特征


在连续性假设成立的情况下,流体粘度只由流体本身的物理性质决定,但在微观条件下,流体粘度受很多因素的影响,不但与温度、压强等有关,而且还取决于流体所在管道的截面形状。


除以上介绍的以外,阻力、流体极性等在宏观流体中被忽略的问题在微流动中都将得到重视,此外还有一些电动效应,电泳、电渗都是在微流动中经常应用的技术。


2.微流体混合机理


流体的混合是指两种或者多种不同的物质在一定作用下,进而混合成为一种均匀物质的过程。微流体的混合机理可以分为以下两点:


(1)流体之间发生分子扩散而逐渐混合,即不同的流体在静止时,一种流体分子向另一种流体分子中扩散,进而使得两种流体浓度差缩小的一种物理现象;


(2)作用于流体上的对流或旋流,使得两种流体被分割,速度曲线合叠,流体变形以后再在混合区域内重新排布,被混合的两种流体混杂在一起,流体接触面积大大增加,有充分的流体交界面来进行分子的相互进入。


混合在化学分析、生物研究方面都有着至关重要的位置,高效的混合可以为化学生物分析带来更高的精度,保证反应分析的准确性。对物理研究来说,所研究对象的体积力与表面力是作用于物体的两个重要的作用力,随着研究对象特征尺寸的减小,体积力的影响会越来越小,而表面力的影响则是逐渐增加。在微尺度研究时,微流体的承载器件的特征尺寸远远小于宏观的器件特征尺寸,已经减小到了微米量级,那么由此计算出的雷诺数比较小,流体会在层流状态下流动,此时流体的体积力就不再是影响流体流动的主要作用力,取而代之的将会是流体的表面力,例如流体的粘性力以及表面张力等。在微模拟中,流体无法达到湍流状态而促进流体的混合,所以在微流体系统内,各个流体介质都是依靠层流的扩散作用来达到流体的混合。


浅析微流体系统中的扩散和混合


如何增加微系统内流体的混合效率,加大混合强度,从流体力学的角度出发,得到两个考虑方法:一是加大流体的接触扩散时间,二是引起流体间的对流。但在微器件内流体流动时,流体的管径及速度都会受到限制,与宏观不同的是,需要在小的雷诺数下实现流体的层流混合。由此可见,微流体在器件内流动混合时,几乎都在依靠流体的分子扩散来进行混合,那么如何增加流体的扩散程度就是促进混合的一个可靠方法。根据Einstein公式:


其中,δ是流体的横向扩散距离,单位是m;t是流体的扩散时间,单位是s;D是流体的扩散系数,单位是m2/s,扩散系数D的公式为:


其中,R=8.31×107J/mol·K;N=6.02×1023;T是流体的绝对温度,单位是K;η为流体粘度,单位是Pa/s;d为粒子直径,单位是m;


流体的分子横向扩散距离越大,说明混合越充分。由公式(2-1)可以看出,要想分子横向距离增加,可以通过加大流体的扩散系数或者延长流体的接触时间,都可以加大分子横向扩散距离,从而使得流体混合更加充分。但是根据公式(2-2)可知,流体的扩散系数基本是一个定值,当流体确定时,其扩散系数就不会发生改变,温度的改变会造成扩散系数发生些许变化,但流体都是在固定温度下进行混合,不能随意改变流体的温度,所以通过改变扩散系数来提高流体的混合程度不可取,增加流体的扩散时间也会消耗大量的时间,也不是一种高效的提高混合的方法,所以还需探索其他的方法来提高流体的混合性能。


在(2-1)的Einstein公式中,仅仅考虑了静态分子扩散的影响因素,而实际在微流体混合时,待混合的流体之间的接触面积、微通道的内部粗糙程度、微通道的几何结构的变化引起的对流及弧形通道产生的离心力等也会对流体的混合造成一定的促进作用,所以需要从优化微通道结构形式、加强通道内部流体对流来改善微通道流体的混合程度。


3.微流体混合的强化方法


在微型器件中,由于特征尺度很小,流动的雷诺数也很小,内部将以层流为主,粘性力的影响占主导地位。由于受到反应以及其他因素的限制,流动速度也很小,此时微通道中流体间的混合将主要由分子的扩散来完成。流体的扩散系数很小,使得扩散过程非常缓慢。为此,需要采取一定的措施来增强扩散过程,减小混合时间和混合长度,进而达到强化混合的目的。由于在微尺度下混合主要依靠扩散过程来实现,根据费克扩散定律可知,对于给定的流体组分,可以通过增加流体间的接触面来增大流体的扩散通量。为此,人们采用分离、拉伸、折叠以及破碎等方式来干扰流体的流动,在微通道中产生横向流动或二次流,来增强扩散过程。具体的加强微流体混合的方法如下:


(1)层流剪切:在微混合器内引入二次流,使流动截面上不同流线之间产生相对运动,引起流体微元变形、拉伸继而折叠,增大待混合流体间的界面面积、减小流层厚度,这意味着相同时间内参与输运和传递的液体增多。


(2)延伸流动:由于流动通道几何形状的改变或者由于流动被加速,产生延伸效应,使得流层厚度进一步减小,改进混合质量。


(3)分布混合:在混合元件通过流体的分割—重排—再结合效应,减小流层厚度,并增大流体间的界面。此方法使得液体单元的宽度变窄,加大了扩散的梯度,加速了不同物质间的迁移。


4.微流体混合程度的表征方法


作为考察微混合器性能的关键指标,微流体混合程度的定量化表征在微流体系统研究中相当重要。但由于微流体系统特征尺寸较小,相比于传统宏观混合器其表征过程较为困难。目前对微混合器内流体流动和混合过程的研究方法主要可分为实验方法和数值模拟方法两种。


(1)实验法


微通道内液液两相流混合性能的实验表征方法主要有示踪法和化学反应探针法两种。


示踪法是测量微流动和混合性能的重要方法,主要分为染色剂示踪技术、微流体数字质点影像测速(Micro-DPIV)技术和激光诱导荧光示踪(LIF)技术。添加染色剂(如墨水、各色染料)是最简单的表征混合性能的方法。但这种方法只能定性地表征微混合效果。LIF技术是一种最主要的研究微流体流动特性的实验方法。该方法可定量研究不同微混合器的混合性能,也可用于扩散过程的定量研究。Micro-DPIV技术是在传统PIV技术基础上发展起来的,它采用直径更小的示踪粒子(50~200nm),用轮廓荧光显示的显微镜辅助拍摄。该技术测量精度高,可三维立体显示混合图像,且可以实时测量与显示,是测量微流动与混合性能的最具有潜力的显示技术之一。


化学探针法通过在微流体中添加化学反应来表征流体的混合过程。将反应物分别加入到研究的微流体中,通过分析反应产物,从而得到整个微通道内流体的混合性能。相对以上几种方法而言,该方法对设备的要求不高且能够得到定量化的表征结果。


(2)数值模拟方法


釆用实验手段考察微流体的混合过程,对实验的仪器和设备要求较高、研究成本较大,同时需要研究者具有极高的实验操作技能。而釆用数值模拟的方法,则可以大大缩减研究的时间和设备成本,因此被各国学者广泛应用于微流体流动与混合的研究中。目前对于微流体流动与混合过程的数值模拟研究主要有以下几种方法:摄动有限体积法(PFV)、水平集方法(LSM)、格子波尔兹曼方法(LBM)以及计算流体力学方法(CFD)等。其中基于流体体积函数法(VOF)的CFD数值模拟方法,能够精确捕捉相界面,因此成为研究多相流中微流体流动与混合过程的理想方法。

浅析微流体系统中的扩散和混合

VOF方法通过求解一组动量方程和计算流体的体积分数,精确跟踪不互溶流体之间的自由界面。其特点是首先定义一个流体体积函数a,每个网格单元内,a的值代表单元内流体所占的份额:若a为1,则网格单元内充满流体;若a为0,则网格单元内没有流体;若a在0和1之间,则网格单元内存在自由界面,其原理如上图所示。然后运用界面重构算法和界面输运算法实现自由界面跟踪。


因为VOF模型能够准确的捕捉两相流自由界面的变化情况,目前国内外学者已广泛使用基于VOF模型的CFD数值模拟方法用以研究微通道内两相流流动过程。在两相流流型中Taylor流具有操作条件稳定、液滴尺寸均匀、可控性性强等一系列优点,被广泛应用科学研究与工业生产中,因此也受到国内外学者更多的关注。近几年来CFD模拟技术发展快速,目前对于两相流的模拟较为常用的软件有:Fluent、CFX、CFD-ACE+以及Flow-3D等,几款软件各有优劣。


在实验的基础上采用CFD模拟方式对混合性能进行研究,同时通过CFD的模拟结果指导和改进微混合器的设计,从而进一步改善混合性能,是目前研究微混合器及其混合性能较为有效的方法。

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