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基于超声空化效应的微流体混合方法研究

基于超声空化效应的微流体混合方法研究

作者：许庆铎中国计量大学

学位级别：硕士

为实现对进口商品是否携带境外有害病毒的快速检测,维护国家的生物安全,针对病毒的微流控阻抗检测技术越来越得到中国海关的重视。微流控芯片中流道窄,流速慢,因此流体的流动特性为层流。这样的流动特性导致在样品中的病毒含量较低时,... 详细信息

为实现对进口商品是否携带境外有害病毒的快速检测,维护国家的生物安全,针对病毒的微流控阻抗检测技术越来越得到中国海关的重视。微流控芯片中流道窄,流速慢,因此流体的流动特性为层流。这样的流动特性导致在样品中的病毒含量较低时,病毒难以与流道底面的特异性抗体接触并结合,导致检测效率低下。针对该问题,通过理论分析研究本文提出利用超声空化气泡溃灭时带动周围颗粒向壁面运动的方法,数值模拟结果显示近壁区气泡发生超声空化时产生的冲击壁面的微射流,验证了近壁区气泡溃灭理论。之后通过图像观测实验表明利用气泡溃灭时的周围流体和颗粒向壁面运动,验证了模拟结果并进一步证明了利用超声空化促进微流体混合,提高抗原抗体结合效率的可行性。主要研究内容与结果如下:(1)本文首先对超声空化的机理以及空化泡溃灭时的特性进行理论分析,得到超声波对液体中的微小气泡的拉伸和压缩是形成空化现象的原因。空化泡溃灭时,由于声压对气泡壁的推动,使得空化泡的一侧向另一侧极速凹陷并溃灭,形成高温高压和微射流,并带动周围液体的流动。(2)利用fluent软件对气泡溃灭的过程进行模拟,超声声压作用于近壁区的气泡时,会导致气泡壁顶部向内凹陷,最终穿破气泡壁底部,形成射向壁面的高速微射流,速度最大值可达到近280 m/s,气泡顶部附近的液体也会发生高速运动,带动液体中的颗粒向壁面移动。并通过多组工况计算结果对比,得到气泡初始半径R与超声频率f对空化的影响。(3)利用高速摄像机对水域中的气泡超声空化过程进行观测实验。拍摄单个空化泡在超声波的作用下的溃灭过程与溃灭时对颗粒的影响,以对仿真结果进行验证;并通过对比不加超声波时和加载超声波时颗粒的运动证明了利用超声空化效应引导微小颗粒靠近壁面的可行性。通过数值模拟和实验研究,本文论证了利用超声空化效应扰动水中气泡,促进微流体混合的方法的可行性,为进一步研究和实现超声空化微流体混合方法提供依据。

关键词：生物安全检测微流体混合超声空化 fluent仿真气泡观测实验

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基于微泡芯片的微流体混合及颗粒操控研究

基于微泡芯片的微流体混合及颗粒操控研究

作者：张文俊浙江工业大学

学位级别：硕士

微泡在生命科学领域有着重要作用,而微泡结合超声的应用更为典型,大量的研究者从临床超声造影、超声给药到超声刺激治疗、超声溶栓,从颗粒操控、微泡射流到微泡驱动、声致发光等方面做了深入研究,赋予了微泡新的生命活力。微泡作为一个... 详细信息

微泡在生命科学领域有着重要作用,而微泡结合超声的应用更为典型,大量的研究者从临床超声造影、超声给药到超声刺激治疗、超声溶栓,从颗粒操控、微泡射流到微泡驱动、声致发光等方面做了深入研究,赋予了微泡新的生命活力。微泡作为一个动力源,可实现非接触、高效、低成本和低能耗的微流体混合,也可操控微流控腔道内的粒子、细胞、线虫等物质。基于微泡的各项优势,本文设计并制备了可用于实现微流体混合和颗粒操控的微泡芯片。本文的主要工作及成果如下:(1)结合前人的工作,提出了声热空化微泡和微结构捕获生成微泡两种设计微泡芯片的方案,以Rayleigh-Plesset方程为研究基础,计算了微泡的共振频率,提出被动空化检测方法,用于确定微泡产生稳态空化,并确定微泡振幅随能量的变化关系,并分析了振动微泡诱导的微流场中的声辐射力和Stokes拽力,从而预测颗粒在流场中的运动状态,并通过COMSOL仿真验证了微泡振动引起的微流场可以实现颗粒操控研究。(2)根据实验方案选用芯片的基底材料,研究了两种方案的芯片微纳加工工艺,对设计、制备的芯片进行封装,用矢量网络分析仪、红外热像仪和光学显微镜等设备对微泡芯片的性能进行测试,从而选择了效率更高、制作成本更低的微结构捕获微泡的设计方案。通过被动空化检测方法验证微泡芯片工作时的状态,用激光多普勒测振仪验证芯片中微泡所在位置声场的均一性。(3)设计了Y型微流控腔道,用振动微泡作为动力源,引入相对混合指数定量评估液体混合效果,探索不同能量下液体的混合效果,从而确定了最佳混合参数,实现了液体在37.5 ms内快速混合。(4)引入2μm聚苯乙烯小球作为标记物,观察了振动微泡诱导的微流场形态,且在光学显微镜下,可以观察到振动微泡可快速高效捕获小鼠脑微血管内皮细胞。设计了阵列微泡结构,研究不同直径的微泡对不同大小颗粒的影响效果,实现了大小分别为1μm和10μm的聚苯乙烯颗粒被不同直径的微泡高效被捕获。本文制备了可用于微流体混合和颗粒操控的微泡芯片,通过多维度测试,验证了微泡性能的优越性,为今后生命科学领域实现低成本医疗诊断提供了新的研究思路。

关键词：微泡芯片微纳加工振动微泡微流体混合颗粒操控

磁场作用下微流体混合行为的数值分析和实验研究

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磁场作用下微流体混合行为的数值分析和实验研究

作者：刘春婷华中科技大学

学位级别：硕士

微流控是在微尺度条件下对流体中的物质进行有效操控的一项新兴的科学技术,在材料、生物、化学等领域有着广泛的应用。然而,在微尺度下流体处于低雷诺环境,流体层间物质以分子扩散为主导致混合过程慢、分析效率低。基于永磁体的外场激... 详细信息

微流控是在微尺度条件下对流体中的物质进行有效操控的一项新兴的科学技术,在材料、生物、化学等领域有着广泛的应用。然而,在微尺度下流体处于低雷诺环境,流体层间物质以分子扩散为主导致混合过程慢、分析效率低。基于永磁体的外场激励型磁混合技术因具有无发热、结构紧凑、无复杂控制策略等优点得到广泛关注。但现阶段这类磁场源系统局限于单一磁体系统,存在适宜流速区间小、可调控性差等问题。为此,本文通过数值模拟和实验研究相结合的方法,对比不同磁体结构下微通道中流体的动态混合效果,分析磁场对微混合系统的作用机制,在此基础上,提出并实现了一种高效、快速混合的新型多磁体组合方案,对于设计微流控芯片参数、提高混合性能具有重要研究价值。在数值模拟方面,本文基于磁场下微流体混合基础理论,利用有限元仿真软件COMSOL构建磁场仿真模型和多物理场耦合仿真模型,考虑粒子迁移项对微流体混合行为的影响,模拟了磁场作用下微通道内混合形态和末端浓度分布特征。研究表明,不同磁场配置下的磁场作用力形式对磁流体动力学行为的影响规律不同,引入粒子迁移特性对微混合行为起到明显改善混合效果的作用。这为后续实验中对流体的流动行为研究以及磁混合的作用机制研究奠定了基础。在实验研究方面,本文搭建了一套集注射泵、显微镜、高速相机和可视化软件为一体的微流控实验平台。并利用此实验平台,开展了基于Y型通道的微流体混合行为的实验研究,获得了不同磁体结构下微通道内磁流体混合行为的变化规律、流体的混合形态和末端浓度分布特征。研究表明,单永磁体条件下磁流体受到的磁场力以轴向力为主,可实现较大流速范围的混合,但混合效率较低;双永磁体条件下磁流体受到的磁场力以径向力为主,可实现较低流速下的均匀混合。进一步,结合数值分析,明确了磁场分布、粒子团聚及粒子迁移特性等对流体混合行为的作用机制和作用效果。在上述研究的基础上,本文针对微流体混合技术的高效率、高速度、宽范围需求,综合利用单永磁体和双永磁体系统在微混合方面的优势,提出了一种新型的轴向力-径向力复合作用的三磁体混合方案。在微流控实验平台上开展了相应的实验研究,结果表明该方案可在保持高效混合的同时适应更宽的流速范围,验证了方案的可行性和有效性,并进一步明确了这一方案的混合特性优化思路,为拓宽高效率混合的流速区间提供了新的设计策略。

关键词：微流控技术微流体混合磁场磁混合

超声空化对细微流道中固体颗粒的运动特性研究

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机械工程学报 2022年第23期58卷 218-226页

作者：李琛袁牧许庆铎葛江勤厉志安中国计量大学质量与安全工程学院杭州310018

针对细微流道中的多相流调控问题,研究超声空化效应对微流道内固体颗粒运动特性的影响。利用Fluent有限元技术对空化气泡溃灭的过程进行模拟,得在超声声压作用于近壁区的气泡时,气泡凹陷、破壁、溃灭的演变过程,并对其周围流场的速度矢... 详细信息

针对细微流道中的多相流调控问题,研究超声空化效应对微流道内固体颗粒运动特性的影响。利用Fluent有限元技术对空化气泡溃灭的过程进行模拟,得在超声声压作用于近壁区的气泡时,气泡凹陷、破壁、溃灭的演变过程,并对其周围流场的速度矢量分布进行研究,仿真结果显示,空化气泡溃灭能够产生射向壁面的高速微射流,其最大速度达到28 m/s,进而确定细微流场观测实验的最优参数;利用高速摄像机对细微流道中气泡的演变过程进行观测实验,并与仿真实验结果进行对照,观测实验结果表明,利用超声空化效应能够实现对固体颗粒向流道壁面运动的有效引导,为实现细微流道的流场调控、提高加工精度等问题提供理论支持。

关键词：超声空化细微颗粒微流控 Fluent仿真气泡观测实验微流体混合

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微流体强化吸收低浓度氮氧化物的研究

微流体强化吸收低浓度氮氧化物的研究

作者：周昱昆明理工大学

学位级别：硕士

目前,国内外常使用选择性催化还原(SCR)技术脱除烟气中的氮氧化物,但是选择性催化还原(SCR)脱硝技术中的催化剂对催化还原NO的条件比较苛刻,烟气中水会降低其脱硝效率,烟气中烟尘或金属粉末也会使催化剂活性降低或失去。本文利用微流体... 详细信息

目前,国内外常使用选择性催化还原(SCR)技术脱除烟气中的氮氧化物,但是选择性催化还原(SCR)脱硝技术中的催化剂对催化还原NO的条件比较苛刻,烟气中水会降低其脱硝效率,烟气中烟尘或金属粉末也会使催化剂活性降低或失去。本文利用微流体对气体和液体的强化作用,针对贵金属溶解工序产生的低浓度NO尾气脱硝展开研究。通过采用微反应器强化吸收低浓度NO,得到其反应和强化机制,脱除效率达到90%以上。本文研究了微反应器的结构优化设计、脱除液试剂的选择、脱除液添加剂的选择、不同实验因素对脱硝效率的影响和微流体多相混合反应器湿法脱硝扩大实验,得出了以下结论:(1)筛选出合适的脱除液,确定尿素溶液为微流体湿法脱硝的脱除液。针对尿素溶液脱硝效率较低等缺点,在尿素溶液中添加亚氯酸钠试剂,初始氮氧化物浓度400 ppm,尿素溶液质量分数3%、亚氯酸钠浓度为0.02 mol·L、溶液温度为20℃、气液流量比(R)为1:1、混合溶液p H范围在8.0-10.0时,尿素溶液添加亚氯酸钠具有较好的脱硝效率(NO脱除率>94%)。(2)在微反应器Ⅰ的基础上进行了结构优化和微通道的集成与放大,优化和设计出微反应器Ⅱ。在初始氮氧化物浓度400 ppm,HO浓度0.5 mol·L、尿素质量分数5%、气体流量150 ml/min、液体流量150 ml/min、混合溶液p H=11、溶液温度20℃、500 ml溶液循环使用20 min的实验条件下,实现最佳脱除氮氧化物效果,脱除率为100%。(3)在微反应器Ⅰ的基础上进行了结构优化和微通道的数量增加和长度延长使用新型的微流体多相反应器Ⅱ进行扩大实验,得出以下结论:在尿素和HO混合溶液的p H>10、溶液体积为4 L、气液流量比50:1时、实验进行4 h后,具有较高的脱硝效率,硝酸溶解银粉产生的大量氮氧化物气体都可以脱除至100 ppm以下。

关键词：微反应器微流体混合 NOX 尿素湿法脱硝