一种基于SAR-涡动原理的新型双层被动微混合器设计

由 ty10086 提交于 周三, 08/25/2021 - 16:02
文章英文标题
A new two-layer passive micromixer design based on SAR-vortex principles
正文
摘要微混合器是微流体系统中用于样品分析、生物反应器、药物输送等许多应用的关键部件。迄今为止，已经提出了许多被动微混合器的设计。其中，几个设计结构复杂的设计被证明是高效的。在本工作中，作者试图从制造方面提出一种新的低复杂度的高效设计。新设计是基于分裂重组( SAR )和涡旋混合原理的两层结构。建议采用软光刻技术在聚二甲基硅氧烷( PDMS )中制备新的设计。在利用计算流体力学( CFD )软件ANSYS Fluent 17.0模拟的3种新设计中，选择了这种新设计。将3种新设计命名为ND1、ND2、ND3，并利用混合指数( MI )和混合器效率( ME )量在0.1 ~ 100范围内对其混合性能进行数值评价。计算值与经典的Y型( CY )微混合器得到的值进行比较。通过求解连续性方程、Navier-Stokes方程和对流扩散方程计算流动和混合模式。将CY型微混合器的CFD结果与现有的实验和数值数据进行对比，发现两者吻合较好。结果表明，在所研究的微混合器设计中，ND3在整个Re数范围内具有最高的性能( ME达到36.86 % / mm )。ND3的最大压降( Re = 100时为3509.9 Pa )仍在文献报道的可接受压降范围内。ND3可作为CY的高效替代品。虽然ND3在Re数低于0.3或高于50时具有很高的效率( MI高达99.52 % )，但在中间Re数( 0.3 )时表现良好
文章内容（英文）
AbstractMicromixers are key components of microfluidic systems for sample analysis, bioreactors, drug delivery, and many other applications. To date, numerous passive micromixer designs have been proposed. Among those, several designs with complex design structures have been demonstrated to be efficient. In the present work, the authors try to propose a new efficient design with low complexity in terms of fabrication. The new design is two-layer and is based on the split and recombination (SAR) and vortex mixing principles. It is suggested to fabricate the new design in polydimethylsiloxane (PDMS) using the soft lithography technique. This new design is chosen among three new designs simulated using the computational fluid dynamics (CFD) software ANSYS Fluent 17.0. The three new designs are named ND1, ND2, and ND3 and their mixing performances are evaluated numerically using mixing index (MI) and mixer effectiveness (ME) quantities at four different Reynolds (Re) numbers in the range of 0.1–100. Calculated values are compared with those obtained for the classical Y-shaped (CY) micromixer. Flow and mixing patterns are computed by solving the continuity, Navier–Stokes, and the convection–diffusion equations. CFD results for the CY micromixer are compared with available experimental and numerical data and reasonable agreement is observed. According to the results, ND3 has the highest performance (ME up to 36.86 percent/mm) among the investigated micromixer designs in the entire range of Re numbers. The maximum pressure drop (35099.9 Pa at Re = 100 for ND3) is still in the range of acceptable pressure drops reported in the literature. ND3 can be used as an efficient substitute for CY. Although ND3 is highly efficient (MI up to 99.52%) at Re numbers lower than 0.3 or higher than 50, its performance at the intermediate Re numbers (0.3 \u0026lt; Re \u0026lt; 50) is poor and unacceptable (MI as low as 44%). This can be simply improved by adding extra mixing units to provide adequate mixing also at the intermediate Re numbers.
来源出处
Journal|[J]International Journal of Chemical Reactor EngineeringVolume 19, Issue 3. 2021. PP 309-329
DOI
https://doi.org/10.1515/IJCRE-2020-0222

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