数值模拟驱动皮尔逊引导蚁群优化三维蛇形被动微混合器的渐进轴向均质化

《Scientific Reports》：Numerical simulation-driven pearson guided ant colony optimization of a three-dimensional serpentine passive micromixer for progressive axial homogenization

　　

摘要

在微流控系统中实现快速高效的水-染料均质化，是层流条件下无需外部循环的被动微混合过程中的重要研究领域。本研究对多种微混合器构型进行了数值比较，包括简单T型微混合器（STM）、带脊涡流T型微混合器（VTMR）和三维蛇形微混合器（TDSM）。流动和物种输运行为基于纳维-斯托克斯方程组求解，混合性能则通过不同雷诺数（5-165）下的混合指数进行量化评估。基于逐次网格相对误差的定量网格收敛分析表明，在整个研究的雷诺数范围内，最终生成的网格所产生的混合指数变化小于2%。皮尔逊分析显示，雷诺数是影响混合的最强驱动因素，其雷诺数与混合指数的相关系数为r = 0.48437，调整后的R2 = 0.21393；其次是轴向距离与混合指数，相关系数为r = 0.4072，调整后的R2 = 0.14327。简单T型混合器显示出有限的改进，混合指数仅从η = 0.10增加到0.36；而带脊涡流T型混合器从η = 0.28提升至在Re = 75时达到的峰值0.65。相比之下，三维蛇形微混合器实现了近乎均匀的标量均质化效果，在雷诺数75至165范围内，混合指数达到0.985–0.9975。蚁群优化算法进一步确定路径3为最优路径，在第20次迭代时适应度达到0.96，其次是路径8，适应度为0.95。计算得到的最大混合指数出现在案例39中，对应于具有五个蛇形单元的三维蛇形微混合器在雷诺数165和P9/3000 μm条件下的运行状态，此时混合指数η = 0.9975，出口浓度标准差为0.00125，方差为1.56 × 10^?6。