低雷诺数高效类魔方结构微混合器

李欣欣; 吴一辉

doi:10.37188/OPE.20233119.2850

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

低雷诺数高效类魔方结构微混合器

微纳技术与精密机械 | 更新时间：2023-10-12

- 低雷诺数高效类魔方结构微混合器
- Efficient low Reynolds number micromixer with magic cube structure
- 光学精密工程 2023年31卷第19期页码：2850-2856
- 作者机构：
  
  1.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春 130031
  2.中国科学院大学，北京 100190
- 作者简介：
  
  [ "李欣欣（1996-），男，湖北十堰人，硕士研究生，主要从事微流控技术及应用、微全分析系统芯片设计与制造等方面的研究。E-mail：lixinxin202@mails.ucas.ac.cn" ]
  [ "吴一辉（1965-），女，博士，研究员，博士生导师，中科院特聘研究员，是国家重点研发计划重点专项总体组专家，吉林省高级专家，中国微米纳米技术学会常务理事等，主要研究涉及微流控芯片、受激拉曼光谱仪、哈达玛双增益原子光谱仪、光子、声子传感及光学超分辨、光纤WGMs、光纤无标超高灵敏度免疫传感器、激光多普勒干涉仪等。E-mail：yihuiwu@ciomp.ac.cn" ]
- 基金信息：
  
  深海生物基因测序仪研究资助项目(2C2019005496)
- DOI：10.37188/OPE.20233119.2850
  中图分类号： TN492
- 收稿日期：2023-02-18，
  
  修回日期：2023-04-04，
  
  纸质出版日期：2023-10-10
- 稿件说明：
移动端阅览
李欣欣,吴一辉.低雷诺数高效类魔方结构微混合器[J].光学精密工程,2023,31(19):2850-2856.

LI Xinxin,WU Yihui.Efficient low Reynolds number micromixer with magic cube structure[J].Optics and Precision Engineering,2023,31(19):2850-2856.
李欣欣,吴一辉.低雷诺数高效类魔方结构微混合器[J].光学精密工程,2023,31(19):2850-2856. DOI： 10.37188/OPE.20233119.2850.

LI Xinxin,WU Yihui.Efficient low Reynolds number micromixer with magic cube structure[J].Optics and Precision Engineering,2023,31(19):2850-2856. DOI： 10.37188/OPE.20233119.2850.

摘要

为了在雷诺数条件不定的小尺寸的芯片内部集成高效的混合功能，根据菲克定律和布朗运动的爱因斯坦关系式提出了一种通过匹配接触面提高浓度差的策略来设计微混合器，对科恩达效应进行了扩展，分析了流体在通道表面的流动方向，从特定微通道模块中抽象出4种具体功能。通过模块的功能来预测和调控浓度梯度并构建微混合器。使用4种功能模块来旋转并匹配流体界面，设计了两种三维结构的被动式微混合器。采用三维Navier-Stokes方程组进行了数值分析，并通过软光刻工艺制作微混合器进行了实验验证。实验和仿真结果表明，在雷诺数为0.1~100内，设计的微混合器在3.3 mm，即22倍水力直径长度处能稳定提供94%~99%的混合效率，在等水力直径条件下具有明显的优势，而且结构易于在芯片上集成，证明了模块化设计的优越性。

Abstract

To integrate efficient mixing functions inside small chips with variable Reynolds numbers， this study developed a strategy for designing micromixers by increasing the concentration difference through matching contact surfaces based on Fick's law and Einstein's equation for Brownian motion. Subsequently， the Coanda effect was extended by analyzing the flow direction of the fluid over the channel surface and abstracting four functions from specific microchannel modules. These functions were used to predict and modulate the concentration gradient and construct the micromixer. Two three-dimensional structures of passive micromixers were designed using four functional modules to rotate and adjust the fluid interface. A three-dimensional Navier-Stokes system of equations was used for numerical analysis， and a micromixer was constructed via soft lithography for experimental verification. The experimental and simulation results showed that the designed micromixer consistently exhibits a mixing efficiency of 94%-99% at 3.3 mm， which is 22 times the hydraulic diameter length， for Reynolds numbers ranging from 0.1 to 100. This demonstrates a clear advantage over existing methods at an equal hydraulic diameter. Furthermore， the structure is easy to integrate on a chip， indicating the superiority of the modular design.

关键词

Keywords

references

JAHN A ， STAVIS S M ， HONG J S ， et al . Microfluidic mixing and the formation of nanoscale lipid vesicles ［J］. ACS Nano ， 2010 ， 4 （ 4 ）： 2077 - 2087 . doi: 10.1021/nn901676x http://dx.doi.org/10.1021/nn901676x

BAYAREH M ， ASHANI M N ， USEFIAN A . Active and passive micromixers： a comprehensive review ［J］. Chemical Engineering and Processing-Process Intensification ， 2020 ， 147 ： 107771 . doi: 10.1016/j.cep.2019.107771 http://dx.doi.org/10.1016/j.cep.2019.107771

OH K W ， LEE K S ， AHN B ， et al . Design of pressure-driven microfluidic networks using electric circuit analogy ［J］. Lab on a Chip ， 2012 ， 12 （ 3 ）： 515 - 545 . doi: 10.1039/c2lc20799k http://dx.doi.org/10.1039/c2lc20799k

ZHAO S G ， HUANG P H ， ZHANG H Y ， et al . Fabrication of tunable， high-molecular-weight polymeric nanoparticles via ultrafast acoustofluidic micromixing ［J］. Lab on a Chip ， 2021 ， 21 （ 12 ）： 2453 - 2463 . doi: 10.1039/d1lc00265a http://dx.doi.org/10.1039/d1lc00265a

AZIMI N ， RAHIMI M ， ZANGENEHMEHR P . Numerical study of mixing and mass transfer in a micromixer by stimulation of magnetic nanoparticles in a magnetic field ［J］. Chemical Engineering & Technology ， 2021 ， 44 （ 6 ）： 1084 - 1093 . doi: 10.1002/ceat.202000030 http://dx.doi.org/10.1002/ceat.202000030

DING H H ， ZHONG X T ， LIU B ， et al . Mixing mechanism of a straight channel micromixer based on light-actuated oscillating electroosmosis in low-frequency sinusoidal AC electric field ［J］. Microfluidics and Nanofluidics ， 2021 ， 25 （ 3 ）： 1 - 15 . doi: 10.1007/s10404-021-02430-1 http://dx.doi.org/10.1007/s10404-021-02430-1

MONDAL B ， MEHTA S K ， PATOWARI P K ， et al . Numerical study of mixing in wavy micromixers： comparison between raccoon and serpentine mixer ［J］. Chemical Engineering and Processing-Process Intensification ， 2019 ， 136 ： 44 - 61 . doi: 10.1016/j.cep.2018.12.011 http://dx.doi.org/10.1016/j.cep.2018.12.011

FERNÁNDEZ-MAZA C ， FALLANZA M ， GÓMEZ-COMA L ， et al . Performance of continuous-flow micro-reactors with curved geometries. Experimental and numerical analysis ［J］. Chemical Engineering Journal ， 2022 ， 437 ： 135192 . doi: 10.1016/j.cej.2022.135192 http://dx.doi.org/10.1016/j.cej.2022.135192

HARRSON S ， SANTANA ， CALVO P V C ， et al . Design， optimization and scale-up of a new micromixer design based on plate column for organic synthesis ［J］. Chemical Engineering Journal ， 2022 ， 446 ： 137159 . doi: 10.1016/j.cej.2022.137159 http://dx.doi.org/10.1016/j.cej.2022.137159

张贺，杨爽，揣荣岩，等 . 混沌流微混合器的性能优化［J］. 光学精密工程， 2022 ， 30 （ 3 ）： 286 - 295 . doi: 10.37188/OPE.20223003.0286 http://dx.doi.org/10.37188/OPE.20223003.0286

ZHANG H ， YANG SH ， CHUAI R Y ， et al . Performance optimization of chaotic flow micromixer ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2022 ， 30 （ 3 ）： 286 - 295 . （in Chinese） . doi: 10.37188/OPE.20223003.0286 http://dx.doi.org/10.37188/OPE.20223003.0286

RAZA W ， HOSSAIN S ， KIM K Y . Effective mixing in a short serpentine split-and-recombination micromixer ［J］. Sensors and Actuators B： Chemical ， 2018 ， 258 ： 381 - 392 . doi: 10.1016/j.snb.2017.11.135 http://dx.doi.org/10.1016/j.snb.2017.11.135

HASHMI A ， XU J . On the quantification of mixing in microfluidics ［J］. SLAS Technology ， 2014 ， 19 （ 5 ）： 488 - 491 . doi: 10.1177/2211068214540156 http://dx.doi.org/10.1177/2211068214540156

浏览量

654

下载量

CSCD

文章被引用时，请邮件提醒。

提交

工具集

关联资源

内置周期挡板的T-型微混合器

靶向药物浓度筛选微流控器件的设计与制作

三角形截面微流道中粒子惯性聚焦分离特性

基于拓扑优化的电渗流微混合器电极

非对称截面螺旋流道中微粒的惯性聚焦效应