压电微泵按有、无单向阀分为有阀泵和无阀泵。无阀泵由于没有阀片截止流体的回流现象, 输出流量和压力较小, 无法满足本文设计的微流道所需压力要求, 故选择有阀泵作为微混合器的驱动源。

有阀泵有单腔泵和多腔泵之分, 其中双腔串联压电微泵以其输出压力高、结构紧凑、性能稳定等特点满足设计要求, 其结构及工作模式如图2所示。采用两腔三阀式结构, 通过压电振子和单向阀片的交替作用实现微泵的吸排过程, 微泵具体参数如表1所示。

图2

Fig.2

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	图2 双腔串联压电微泵结构及其工作模式示意图Fig.2 Schematic diagram of structure and working mode of PZT micropump with double chambers in series

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 压电微泵具体结构及性能参数 Table 1 Structure and performance parameters of piezoelectric micropump 名称 结构及性能参数 PZT ⌀10× 0.2 mm 压力p 0~20 kPa 流量Q 0~4 mL/min 频率f 40~500 Hz

表1 压电微泵具体结构及性能参数 Table 1 Structure and performance parameters of piezoelectric micropump

本文设计的多拐角三维流道设计思想从平缓直流道出发, 经过分析平缓直流道、平面多拐角流道、三维多拐角流道性能特征, 最终确定流道外形及其尺寸大小, 具体设计优化流程如图3所示。

图3

Fig.3

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	图3 微流道设计流程Fig.3 Design process of micro-channel

为表征混合器性能, 采用较常规的混合度值σ ^[18]作为仿真结果的评估标准, 其计算公式如下:

σ=1.0-1c∞∑i=1N(ci-c∞)2N

式中:c_i为各节点的体积浓度分数; c_∞ 为理想化均匀混合系; N为节点数。

混合度的范围为0%~100%。当混合度为0%时, 表示两种溶液没有混合, 混合度数值越大, 表示混合效果越好; 当混合度为100% 时, 表示两种液体完全混合。

2.2.1 平缓直流道对混合效果的影响

平缓流道长度是影响流体混合的重要因素之一, 应用Fluent软件对Y型流道不同截面处的混合效果进行仿真分析, 其中Y型流道初始值设定如图4所示。其中, H=0.6 mm; W=0.6 mm; S=3 mm; L=300 mm; θ =120° 。

图4

Fig.4

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	图4 Y型微流道模型结构参数Fig.4 Structural parameters of Y-type micro-channel model

为探究平缓直流道长度对混合效果的影响, 设置混合工作介质为20 ℃下水-甘油溶液, 分别在L=100、150、200、250、300 mm处的混合效果进行仿真分析, 将所得结果导出, 输入MATLAB, 计算其混合度值结果如图5所示。分析可知, 随着Y型混合流道长度的增加, 混合效果越好, 且混合流道长度为300 mm时, 混合度值σ =90%。因此, 平缓直流道在长度足够的情况下, 可以达到较好的混合效果。

图5

Fig.5

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	图5 平缓直流道长度对混合效果的影响Fig.5 Influence of the length of straight channel on mixing effect

2.2.2 拐角对混合效果的影响

由2.2.1节可知, 平缓直流道可以达到一定的混合效果, 但流道尺寸过大, 不利于混合器的微型化。由文献[19]可知, 拐角结构可产生湍流效果促进流体间混合, 因此, 本文在平缓直流道基础上将流道进行弯曲折叠处理, 得到如图3(b)所示的平面多拐角流道结构。

为探究拐角结构对混合效果的影响, 设定流道总长度L=185 mm其余参数同平缓直流道。其仿真模型、浓度场与速度场对比图如图6所示。

图6

Fig.6

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	图6 多拐角流道仿真模型和浓度场与速度场对比图Fig.6 Simulation model of multi-corner runner, and comparison of concentration field and velocity field

分析仿真结果可知:当液体流经拐角1时, 拐角外侧速度梯度迅速变化, 此改变使溶液之间产生紊流流动, 加速了流体的混合; 拐角内侧速度并没有显著变化, 故而内侧溶液混合主要靠扩散来完成。同理, 在拐角2处, 速度改变与拐角1类似。基于以上分析, 多拐角结构易于使溶液间产生紊流流动, 提高混合效果, 且当流体经过拐角12时, 截取此处仿真结果并导出, 输入MATLAB, 计算混合度值σ =95%, 混合效果更佳, 因此该结构更利于流体间混合。

为利于被动微流道的集成化处理, 将平面多拐角流道进一步优化设计, 最终得到三维多拐角流道, 其结构如图7所示, 其中微流道所占空间大小为31.5 mm× 22.6 mm× 3.6 mm, 流道截面尺寸为0.6 mm× 0.6 mm。

图7

Fig.7

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	图7 三维多拐角流道结构Fig.7 Structure of 3D multi-corner runner

2.2.3 基于脉动混合原理的微流道结构优化

对于脉动微混合系统, 确定结构参数后, 溶液入口速度和脉动频率是直接影响混合效果的重要参数。

溶液入口速度与驱动源压电泵出口流量和微流道截面尺寸有直接关系, 对于微混合器驱动源双腔串联压电泵, 设定脉动频率f=50 Hz, 分别对流量为1.0、2.0、3.0 mL/min的混合情况进行仿真分析, 其中间截面处仿真结果如图8所示。

图8

Fig.8

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	图8 不同入口流量时微流道混合效果图Fig.8 Mixing effects of micro-channels with different inlet flow rate

由仿真结果可知:当压电泵出口流量为1.0 mL/min时, 溶液分层现象严重; 出口流量为2.0 mL/min时, 混合效果相对1.0 mL/min并没有太大改善; 当泵出口流量为3.0 mL/min时, 溶液脉动效果依然不明显。分析以上仿真结果可以推断, 当入口流量为3.0 mL/ min时, 由于入口截面尺寸过大, 导致溶液入口速度(0.14 m/s)过小而不足以形成良好脉动效果。

基于以上分析, 将微流道入口截面宽度分别设为0.2、0.3、0.4、0.5 mm进行相应的混合效果仿真分析, 其中溶液入口流量设为1.0 mL/min, 脉动频率f=50 Hz, 其中间截面处仿真结果如图9所示。

图9

Fig.9

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	图9 不同入口尺寸条件下微流道混合效果图Fig.9 Mixing effects of micro-channels with different inlet sizes

由仿真结果可知:当入口宽度为0.5 mm时, 溶液脉动效果不突出, 但相对于宽度为0.6 mm时已有所改善; 入口宽度为0.3 mm时, 混合流道中已有清晰的“ 月牙” 形状, 这表明此时溶液脉动效果明显, 具备脉动微混合基本特征; 而当入口宽度为0.2 mm时, 液体间脉动效果更好, 混合效果更佳。由于受加工精度限制, 入口宽度为0.2 mm以下的微流道结构未予考虑, 故微流道采用入口尺寸为0.6 mm × 0.2 mm的变截面尺寸设计, 优化后微流道结构如图10所示。

图10

Fig.10

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	图10 变截面微流道结构图Fig.10 Schematic diagram of micro-channel structure with variable cross section

针对本文设计的内嵌三维流道的压电驱动微混合器进行了脉动混合实验, 通过该实验验证微混合器脉动效果。

实验方案如图12所示, 去离子水清洗所需玻璃仪器, 烘干后备用, 再进行实验平台搭建, 合理安排仪器角度和位置, 保证能清晰拍摄Y型微混合流道内的流动情况, 利用无水乙醇对压电微泵及微混合器进行排气泡处理; 配好10 mL的红、蓝墨水溶液。使用MSH-600信号发生器将微泵输入频率为50 Hz、相位差分别为0° 和180° 的信号, 将红、蓝墨水泵入混合器中。根据微泵不同输出流量进行实验, 利用高倍放大镜观察实验结果, 最后使用摄像机进行成像处理。

图12

Fig.12

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	图12 脉动实验方案图Fig.12 Photo of pulsating test setup

图13为输入信号相位差为0° 的混合效果实验图, 显示了混合流道内红、蓝墨水的混合情况。实验结果表明, 两相溶液同相注入时, 溶液分层现象明显, 因而溶液间单纯通过扩散作用难以达到良好混合效果。

图13

Fig.13

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	图13 相位差为0° 的两相流混合效果实验图Fig.13 Mixing effects of two-phase flow with phase difference of 0°

图14是输入频率为50 Hz、相位差为180° 混合效果实验图。微泵输出流量为0.4 mL/min时, 两相溶液分层明显, 并没有形成脉动效果; 当输出流量为0.6 mL/min时, 溶液间分层界线模糊; 输出流量为1 mL/min时, 流道内“ 月牙” 清晰, 脉动效果明显; 而当输出流量1.2 mL/min时, 溶液脉动效果有所减弱。故一定脉动频率对应一定最佳输出流量值, 该实验与前期仿真结果基本一致, 当最佳工作参数与结构参数相互配对时, 微混合器表现出良好的混合性能。

图14

Fig.14

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	图14 相位差为180° 两相流混合效果实验图Fig.14 Mixing effects of two-phase flow with phase difference of 180°

实验方案:配备含2%聚苯乙烯小球的溶液作为示踪剂; MSH-600信号发生器为压电微泵输入相位差为180° 的电信号, 利用微泵将黏度为10 mPa∙ s的水-甘油溶液以1 mL/min的流量脉动注入, 其中一相为普通溶液, 另一相为含有荧光粒子的溶液。利用倒置荧光显微镜观察流体运动和混合状况。使用PC主机采集最后的图像并完成图像灰度值处理。

为便于考察实验溶液的混合效果, 利用荧光微粒成像的灰度值来表征两溶液在微混合器中的混合程度。由于在激光的照射下, 荧光微粒会发出灰度值较高的色彩, 因此可以通过观察截面的灰度值分布情况以检测两种溶液的混合程度, 若出口截面的灰度值明暗相间或者均匀分布, 则表示两种溶液均匀混合。

图15(a)为第16拐角处荧光粒子运动情况。由图可知, 此时微流道中荧光粒子分布已较为均匀, 表明此时两相溶液混合情况良好, 达到均匀混合效果。图15(b)为该拐角处荧光粒子灰度值分布图。根据灰度值分布结果可知, 由于受流道内壁附着粒子影响, 第一波峰之前以及最后波峰之后的灰度值结果变化较大; 而在第一波峰和最后波峰之间, 灰度值分布状况呈现明暗相间的规律, 表明此时微流体已经达到了均匀混合的效果。

图15

Fig.15

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	图15 相位差为180° 时第16拐角荧光粒子混合情况Fig.15 Mixing effects of fluorescent particles of 16th corner under phase difference of 180°