带有特斯拉阀结构的微混合器的仿真与实验研究

《Chemical Engineering and Processing - Process Intensification》：Simulation and Experimental Study of the Micromixer with Tesla Valve Structure

　　

李松涛|陈晔|李明航|徐新东|吴朝明|杨光

辽宁工业大学机械工程与自动化学院，121001，中国辽宁省锦州市

摘要

本文提出了一种基于特斯拉阀结构的被动式微混合器，旨在无需外部能量输入的情况下，在低雷诺数（Re）下提高混合效率。通过单因素分析、正交实验和熵权重方法对结构参数进行了优化。使用COMSOL进行的数值模拟以及通过CO?激光切割制造的PMMA芯片的实验验证表明，优化后的混合器在Re=0.1、1和10时的混合效率分别为90.2%、71.57%和60.58%。该设备在层流条件下表现出高效的被动混合性能，具有低成本制造和易于集成到芯片实验室系统中的优势。

引言

随着微流控芯片技术的不断进步，微混合器作为芯片实验室研究和分析中的关键组件发挥着越来越重要的作用，尤其是在微混合器、微阀门和微泵的研究中[[1], [2], [3]]。微混合器具有体积小、精度高和响应速度快等优点，能够实现微尺度芯片上的精确流体控制。因此，它们被广泛应用于化学反应、生物医学检测和试剂分析[[4], [5], [6], [7]]。与传统技术相比，从微混合器芯片获得的数据更有利于快速分析。目前，大多数微混合器芯片在低雷诺数（Re）下以层流状态运行，主要依靠被动分子扩散进行混合，这导致效率较低[8]。为了提高混合效果，通常采用更复杂的三维结构或嵌入式障碍物来分割流体或诱导二次流动和混沌对流，但这会增加设计和加工的复杂性。

微流控技术包括流体驱动与控制、微混合器、微分离结构、微反应器以及检测和传感结构。其中，微混合器是微流控技术的一个重要分支。由于其结构尺寸从微米到毫米不等，微混合器能够有效促进化学试剂在分子层面的接触[9,10]。近年来，微混合器也被广泛应用于化学分析领域。通常，微混合器中的流体处于层流状态，雷诺数（Re）——流动状态的指标——一般在0.1到100之间[11]。与Wang等人的设计[12]相比，他们在Re=0.1时报告的混合效率约为85%，但没有提供压降数据；而本设计在同一雷诺数下实现了90.2%的混合效率，并且压降为276帕。更重要的是，与Yang等人的三维特斯拉结构[13]相比，他们在Re=10时报告的混合效率约为80%，而本二维设计在同一雷诺数下的混合效率为60.6%。虽然绝对效率较低，但这种权衡是经过深思熟虑的，也是我们贡献的核心：所提出的二维结构相比复杂的三维架构，具有更简单的制造工艺、更低的成本以及更易于集成到芯片实验室系统中。因此，本研究提出了一个性能与复杂性之间的权衡，优先考虑了可制造性和经济性，这通常是微流控设备开发中一个关键但尚未充分探索的方面，尤其是在即时检测和一次性应用中[14,15,21]。

在基于特斯拉阀的微混合器领域，现有研究主要集中在单因素优化或有限的参数组合上[12]，缺乏系统的多因素、多目标优化方法。此外，很少有研究提供结合模拟和实验验证的结果，并明确分析混合效率与压降之间的权衡。为了解决这些不足，本研究引入了一个系统优化框架，整合了正交设计、熵权重和范围分析来优化四个关键结构参数。采用数值和实验相结合的方法来评估混合性能，从而实现了一种低成本、易于集成的被动式微混合器，其性能表现良好。

本文的结构如下：第2节描述了特斯拉阀型微混合器的理论基础；第3节对设计的微混合器进行了单因素分析，随后使用范围分析和熵权重方法进行了结构优化；第4节对不同雷诺数（Re）和溶液粘度下通道内流体混合的初步模拟进行了分析；第5节详细介绍了最优参数组的实验验证，并将结果与模拟结果进行了比较。本研究的结果可以为经济、快速和准确的溶液混合提供指导。

章节摘录

特斯拉阀型微混合器的理论基础

本节分析了微混合器中流体流动的混合机制。工作过程主要涉及层流混合和流体流动。在分析过程中，模型中定义的物理过程（作为流体域）与特定的速度边界条件相结合，转化为流体动力学问题。这为后续设计具有高效混合性能的微混合器提供了坚实的理论基础。

特斯拉阀型微混合器的结构设计与优化

本研究设计的微混合器主要由一个Y形入口和两个特斯拉阀单元组成。本节通过单因素分析选择了四个结构变量，并进行了结构优化。性能通过输出混合效果来评判。通过引入结合熵权重方法和范围分析的优化方法[21,22]，对选定的结构变量进行了优化。COMSOL软件模拟并分析了两种液体的混合性能

最优组结果与讨论

为了更好地分析特斯拉阀型微混合器的混合性能，对流体混合效果、压力分布、流速和浓度进行了模拟。此分析仅考虑了由通道结构本身引起的混合效果。为最优微混合器几何形状生成了三种不同的网格密度：一种粗网格，大约有320,000个元素；一种细网格，大约有800,000个元素；以及一种非常细的网格，大约有2.07×10?个元素

其他组件的设计与选择

基于之前设计的微混合器，微流控芯片由两部分组成：通道板和盖板。通道板包含采用优化工艺参数制造的微通道。盖板密封通道，便于流体注入和流出。如图12所示，通道的总体尺寸为30×15×1毫米的矩形板（为了便于可视化，通道结构用直线表示）。盖板

结论

通过数值模拟和实验验证，本研究系统地深入研究了基于特斯拉阀的被动式微混合器，并提取了适用于低雷诺数（Re）下运行的被动混合设备的一般设计原则和机制洞察。研究表明，特斯拉阀结构通过三种机制增强了低雷诺数（Re）条件下的被动混合效果：流动分割、二次流动诱导和界面效应

未引用的参考文献

[16,18,26,28,34,36,37]

CRediT作者贡献声明

李松涛：概念构思。陈晔：形式分析、数据整理。李明航：项目管理、方法论。徐新东：初稿撰写、可视化、验证。吴朝明：软件开发、资源管理、项目管理。杨光：项目管理、方法论。