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在生物化学分析与合成中,微混合器应用非常广泛。它具有混合速度快、效率高、试剂消耗量少、易于集成化和自动化等特殊的优越性。目前很多研究中对于微混合器的设计和加工往往缺乏相应的理论支持,设计方案直接来源于经验和文献报道,在实际应用中会发现器件性能不符合设计要求,导致开发周期长,设计加工成本提高,浪费了大量的时间和资金。本课题结合理论研究与实验需求,对于传统T型微混合器利用有限元分析方法进行仿真,提出一种新型的微混合器设计。并且制作相应的微混合器,以及建立检测装置应用于实验研究。
本课题中,首先通过有限元分析工具COMSOL多物理场软件分析传统T型微混合器的流动特性及混合效果,并结合湍流混合理论对于微混合器进行优化改进。通过比较分析,改进后的微混合器在混合效率和混合时间上明显优于传统的T型混合器。对于两种混合器,论文给出了不同参数环境下的混合效率。
其次,根据理论以及数值分析的结果,设计并加工了传统的T型和改进型T微混合器。为了验证数值研究的结果,我们设计并且搭建了两套光学检测装置,从混合现象到实际混合效率来测试两种微混合器:方法一是通过镜片组将混合通道放大后经由高速照相机拍摄流体在不同流速下的混合现象;方法二则是通过光源经由带通滤光,透镜汇聚成线光源后激发混合通道内的荧光试剂,CCD照相机拍摄荧光图像,用于分析混合效率。
最后,利用微混合器以及所搭建的装置,通过染料与去离子水混合,证实实际混合的效果与理论较为符合,数据分析表明新型微混合器相对于传统T混合器在混合效率达90%时试剂消耗量仅为其27%。而荧光光谱分析也表明,新型微混合器在流量达到0.6ml/min能获得近100%的混合效率。