在含有障碍物的汇合-分流通道中，电渗透微流控混合效果得到增强

《International Communications in Heat and Mass Transfer》：Enhanced electro-osmotic microfluidic mixing in an obstacle-embedded converging–diverging channel

　　摘要
本研究提出了一种电渗流微混合器，该混合器包含一个带有障碍物的汇合-分流通道，旨在提升微尺度下的流体混合效果。基于有限元方法，建立了交流（AC）电渗流和直流（DC）电渗流的二维瞬态模型，并使用COMSOL Multiphysics软件进行了求解。本文系统地研究了微混合器的多个几何参数，包括入口之间的距离、障碍物之间的垂直间距、汇合-分流通道的宽度以及障碍物的角度。通过对比不同几何结构，找到了最佳设计方案。观察结果表明，障碍物之间的垂直间距和角度对整体混合效率有显著影响，适当的参数选择可以显著提升混合性能。在优化几何参数后，进一步探讨了不同入口速度、施加的交流和直流电压以及频率对混合效果的影响。研究结果显示，在过程初期（最多1秒内），3毫米/秒的入口速度具有更优的性能；但随着时间的推移，由于电渗流效应的增强，0.5毫米/秒的较低入口速度变得更为有效。当施加16伏特电压时，平均混合指数（MI）达到约91%，相比0.5伏特和4伏特分别提高了约37%和17%。此外，16赫兹的频率获得了最佳性能，平均混合指数达到78%，优于4赫兹（71.2%）和32赫兹（68%）。

引言
微流控技术已成为多种科学和工程应用中的核心技术，包括化学分析[1]、药物开发[2]、生物检测[3]、环境监测[4]等。在微尺度通道中精确控制流体体积的能力推动了多个科学和工程领域的重大进展。在微流控系统中的各种组件中，微混合器对于高效混合多种流体流以实现精确的反应、测量和分析至关重要[5]。
需要注意的是，与通过湍流状态或机械混合元件实现混合的宏观系统不同，微通道中的流体流动通常是层流状态，雷诺数（Re）非常低[6]。在这种状态下，混合过程主要由相对缓慢的分子扩散过程主导[7]。因此，许多研究致力于设计能够通过增加界面面积、破坏层流流动或诱导次级流动来增强混合效果的微混合器[8]。根据工作原理，微混合器可分为被动式和主动式两大类[9]。被动式微混合器完全依靠通道的几何不规则性来实现无外部力的混沌对流[10]。Chen等人[11]研究了两种三维被动式微混合器（堆叠E型（SESM）和折叠E型（FESM），发现随着雷诺数的增加，分裂-重组和混沌对流显著提升了混合效果，其中FESM在雷诺数Re=50时达到了95%的混合效率。
主动式微混合器则利用外部驱动力来主动控制混合过程，具有更好的可控性[12]。例如，为了解决高导电性溶液的混合问题，Lv等人[13]设计并数值模拟了一种结合交流焦耳加热与外部薄膜加热器的主动式微混合器，实现了超过90%的混合效率。
在各种主动式微混合器中，电渗流微混合器因高效的混合能力和易于集成而受到广泛关注。这类混合器通过外部电场与通道壁上的双电层（EDL）相互作用来驱动流体流动[14]。微通道和混合腔的几何结构是影响电渗流微混合器效率的关键因素。Zhou等人[15]表明，不对称的横向结构能够在外加电场下诱导强烈的涡流运动，从而显著提升混合效果，并同时降低驱动源的能耗并提高通量。Chen等人[16]提出了一种电极在矩形微通道顶部和底部不对称嵌入的电渗流微混合器，数值结果显示这种不对称性促成了混合效率的显著提升。Wu等人[17]通过引入康托尔分形结构的电渗流微混合器，在较低电压下实现了95.2%的混合效率。Xiong等人[18]提出了一种受科赫分形启发的微混合器，能够产生不规则的交变涡流，实现几乎完全的混合。Zhang等人[19]设计了具有锯齿结构的菱形腔体微混合器，证实最佳几何参数可使混合效率达到99.9%，同时保持压力降在可控范围内。Ahamed等人[20]指出，修改汇合-分流电渗流微混合器的混合腔形状可以显著改变局部电场分布，从而产生更强的电渗流涡流并扩大流体接触界面。

许多研究关注障碍物、挡板等其他结构对混合效率的影响。Shamloo等人[21]对带有导电障碍物的T型电渗流微混合器进行了三维数值研究，发现障碍物的数量和排列方式对混合效率有显著影响。Gong等人[22]研究了带有收缩-扩张通道的电渗流微混合器，发现交流电场诱导的循环流动和旋转涡流对混合效率至关重要。Kumar等人[23]使用带有错位入口和出口的微混合器，证明了电极配置、电压、频率和相位差的调整可以实现98.26%的混合效率。Majhi等人[24]研究了非牛顿流体的混合情况，发现障碍物大小、德拜-赫克尔参数和通道坡度对混合效率有影响，而剪切稀化流体的性能较差。Gayen等人[25]使用环形电渗流微混合器，通过在通道入口处设置刚性挡板增加了涡流形成，使效率提升至99.67%。Kumar等人[26]开发了一种圆形电渗流微混合器，研究了通道直径对电渗流力的影响，发现减小微腔直径可以提高混合效率。Najafpour等人[29]通过三维直流和二维瞬态交流模拟，系统评估了通道几何形状、雷诺数、施加的直流和交流电压、交流频率以及入口流速对混合性能的影响，结果显示三种微混合器配置的最大混合指数分别为91.37%、91.60%和92.88%，其中最佳设计的混合效率比基础配置提高了88.59%。Najafpour和Bayareh[30]提出了由交叉微通道连接的圆形混合腔电渗流微混合器，并研究了其在直流和交流电场下的性能。他们的数值研究表明，直流电压、交流电压、交流频率和入口流速对混合效率有显著影响。

除了几何优化外，还广泛研究了与施加电场相关的操作参数对电渗流微混合器性能的影响。Najafpour等人[29]通过三维直流和二维瞬态交流模拟，研究了操作参数对混合性能的影响。结果表明，三种微混合器配置的最大混合指数分别为91.37%、91.60%和92.88%，最佳设计的混合效率比基础配置提高了88.59%。Najafpour和Bayareh[30]提出了一种由交叉微通道连接的圆形混合腔电渗流微混合器，并研究了其在直流和交流电场下的性能。他们的研究探讨了直流电压、交流电压、交流频率和入口流速对混合效率和压力降的影响。对于交流驱动配置，增加交流电压可以提高混合效率，但交流频率的增加反而降低了混合效果。Najafpour[31]进一步研究了直流和交流电场对三维和二维微混合器混合效果的影响，发现直流电压在0至8伏特范围内，雷诺数为0.1
尽管电渗流微混合器设计取得了显著进展，但大多数现有研究主要集中在几何变化或单独优化操作参数上。同时结合创新通道几何结构与电渗流驱动机制并系统研究耦合效应的研究仍较为少见。为填补这一空白，本研究提出了另一种新型电渗流微混合器设计，该设计在微通道宽阔部分内置了四个障碍物的汇合-分流通道。>
尽管电渗流微混合器设计取得了显著进展，但大多数现有研究主要集中在几何变化或单独优化操作参数上。同时结合创新通道几何结构与电渗流驱动机制并系统研究耦合效应的研究仍较为少见。为填补这一空白，本研究提出了另一种新型电渗流微混合器设计，该设计在微通道宽阔部分内置了四个障碍物的汇合-分流通道。>进行了一项深入的数值研究，以评估几何参数和电渗参数对混合效率的耦合效应。然后系统地广泛变化了一些关键的几何参数，例如通道入口之间的距离、障碍物的垂直间距、连接通道的宽度以及障碍物的角度，利用浓度等值线和混合指数（MI）来优化设计。在优化后的几何结构中分析了某些关键操作参数的影响，如入口处的流速、施加的交流（AC）和直流（DC）电压以及交流频率，以进一步提升混合性能。

**几何配置**
本节介绍了所提出的微混合器几何结构及本研究中调查的参数。已经提出了许多几何结构来提高微混合器的性能[44]。如图1所示，本研究中研究的微混合器具有两个入口，不同浓度的流体通过这两个入口进入主混合通道。随后，流体通过一个由两个较宽区域通过狭窄通道连接的收敛-发散部分。

**几何参数的影响**
如前文所述，考虑了四个几何参数A、B、C和D，每个参数有三个不同的值（见表1和图1），以评估微混合器几何结构对两种流体混合性能的影响。为此，随时间调查了每个几何参数的多种模式，并绘制了混合指数的瞬态演变图，以确定每个参数的最佳值。图6展示了各种情况下的浓度等值线和流线。

**结论**
本研究提出了一种新的方法来提高通常混合效率较低的微混合器的性能。为此，在电渗微混合器中引入了一种创新几何结构，以研究几何修改和电渗驱动对混合性能的联合影响。所提出的设计包括一个收敛-发散通道，并在该通道的较宽部分布置了四个障碍物。

**资金致谢**
本研究未获得公共部门、商业部门或非营利部门的任何特定资助。

**作者贡献声明**
Ahmad Najafpour：验证、软件开发、数据管理
Khashayar Hosseinzadeh：指导、方法论设计、实验研究
Seyedhessamedin Miri：写作——审稿与编辑、初稿撰写
Mohamad Ali Bijarchi：项目管理工作

**关于写作过程中使用生成式AI和AI辅助技术的声明**
在准备这项工作期间，作者使用了[插入工具名称，例如ChatGPT/Gemini]来提高语言清晰度并改进语法。使用该工具/服务后，作者根据需要对内容进行了审查和编辑，并对出版物的内容负全部责任。

**关于利益冲突的声明**
作者声明他们没有已知的财务利益冲突或可能影响本文所述工作的个人关系。