具有多样性混合单元的分离重组微混合器的优化设计与数值分析

分离重组(SAR)技术是增强微混合器混合效率的有效方法之一，该技术是利用混合单元将流体不断地分离再重组来达到混合目的。目前，大量的混合单元被提出。然而，这些单元的组合对混合的影响尚未被研究。因此，本文基于多样性混合单元，提出一种具有高混合效率的分离重组微混合器。采用菱形、圆形、方形三种差异性结构，这些结构两两组合出九种混合单元，再将这些混合单元分别放入带有三个混合区域的微混合器模型，并通过数值仿真和试验方法分析不同组合下的混合效率。仿真结果表明，菱形结构对微混合器的混合性能提升最大，圆形最弱，带有菱形和方形结构的分离重组微混合器(YOSAR)组合最优。随着雷诺数的增加，YOSAR内流体的混沌平流和迪安流效应加剧，混合效率增加。在雷诺数为100时，YOSAR混合效率达到99%，接近于完全混合。同时，实验结果和仿真结果具有一致性。

微流控芯片(Microfluidic chip)是一种在微尺度空间对流体进行操控为主要特征的科学技术， 具有反应迅速、通量高、过程可控、试剂消耗少等特点[1]。

随着科技的发展， 微流控芯片已广泛应用于生物[2] [3]、医学[4] [5]、化学[6] [7]等领域。

其中微混合器是组成微流控芯片的重要部分， 其能够缩短反应所需时间、节省实验室试剂成本、经济和劳动力成本[8]。由于微混合器通道尺寸级别只有微米级，流体主要出于层流状态，混合效率通常较低[9]，所以提高微混合器的混合效率成为研究的重点和目标。

根据是否需要外部能量源， 可以将微混合器分为主动式微混合器和被动式微混合器[10]。

主动式微混合器需要设置外部能量源，常见的能量源有压力扰动式[11]，电驱动式[12]，磁力驱动式[13]，声波驱动式[14]，介电泳式[15]等。但是正是由于外部能量场的存在，微混合器的结构被变得复杂，加工成本升高且所需空间变大。

被动式微混合器的研究要早于主动式微混合器，且不需要外加能量源存在，操作更加简单，制作容易， 适合批量化生产[16]。

因此被动式微混合在近年中得到广泛的关注。

常见的被动式微混合器有分离重组型(SAR)微混合器、嵌有障碍物或凹槽型微混合器等。

嵌有障碍物或凹槽型微混合器是在微通道内或壁面设置障碍物[17]、挡板[18]、沟槽[19]、凸起物[20]等，使流体改变原来的运动轨迹，产生不同于原来的运动方向的流动，流体分子间的接触面积增大从而提高了混合效率。分离重组式微混合器通过对微通道的结构设计使流体进行反复的分流汇合运动，利用分层流的特点使流体产生混沌对流现象，流体横向速度分量增大了流体间接触面积， 从而实现了高效混合[21]。

相对于嵌有障碍物微混合器， 分离重组式微混合器的流道更简单，更易于加工，成本更低。

对于分离重组式微混合器的研究，Ranjitsinha 等人[22]在传统蛇形微混合器中引入方形和圆形SAR混合单元， 从而提高了微混合器的混合性能。

Ansari 等人[23]提出了一种具有不对称子通道的平面圆形和