被動式微混合器之混合與流場分析

Mixing and hydrodynamic analysis in passive micromixers

童凱煬(Kai-Yang Tung)

指導教授 ： 楊鏡堂 ； 陳榮順

國立清華大學/工學院/動力機械工程學系/博士(2009年)

摘要

本研究主旨係經由系統性的數值模擬分析與實驗研究，深入探討實驗室已開發的週期擾動微混合器（circulation-disturbance micromixer, CDM）與平面蜿蜒微混合器（planar serpentine micromixer, PSM）兩種被動式微混合器在不同參數下所造成之混沌對流效應，並探討對於混合性能和流場結構的影響。
在CDM的研究中，兩種新的定量方法被用來分析混沌混合效果。在數值模擬上，結合粒子軌跡分析法與粒子幾何分布的概念來計算混合效率。不但可以得知粒子的均勻性，更可獲知粒子間分散的程度。在實驗分析上，使用螢光共振能量轉移法（fluorescence resonance energy transfer, FRET）可用來驗證CDM之混合效果與提供生化反應之量測。此外，利用共軛焦顯微鏡的特殊技術可觀察在流道上任一橫切面之混合現象。根據粒子軌跡分布法以及螢光能量共振轉移法的結果， CDM的混合效能的確優於斜角溝槽微混合器（SGM）。由實驗結果所求得的FRET因子指出CDM的混合長度（在六個週期之後即達到80%的混合效果）遠小於SGM。
在PSM分析中，本研究使用分子擴散效應的數值模擬與微粒子影像測速（-PIV）之實驗量測研究液珠通過PSM其內部的混沌混合以及流場分析。PSM的設計概念是利用在蜿蜒流道中交替著不同的流道截面積大小使得液珠的形狀改變並產生非對稱渦流來增加液珠內流體之混合。在濃度模擬分析上，PSM（液珠長度100 m）能增加混合指數使得混合效率在600 m 時能達到約90 %。跟直流道相比，在相同Re數（Re = 2）下混合指數約增加八倍。當液珠通過PSM時，最大的渦度差會增加，使得再循環的強度增大，其混合效率愈好。渦度場的或然率函數（probability distribution function, PDF）分布分析顯示，較大的擾動會增加較大渦度所佔的比例而且也會增加液珠內的混合效率。

關鍵字

週期擾動式微混合器 ； 螢光共振能量轉移 ； 平面蜿蜒微混合器 ； 微粒子影像測速 ； 或然率函數

並列摘要

無資料

並列關鍵字

CDM ； FRET ； PSM ； Micro-PIV ； PDF

參考文獻

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