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被动微混合器的设计与数值模拟
摘要：
被动微混合器因其具有高效、节能、低成本等优点，在微流控技术领域得到了广泛的应用。本文主要介绍了被动微混合器的设计原理和数值模拟方法，对于提高微混合器的混合效率、优化设计和降低生产成本具有一定参考价值。
关键词：被动微混合器、设计、数值模拟、微流控技术
引言：
随着微流控技术的不断发展，被动微混合器逐渐成为微流控芯片中不可缺少的一个模块。通过微流控芯片中微隙道的流动作用来实现对流体的混合，具有混合效率高、反应速度快、精度高等特点，被广泛应用于生物医学工程、化学反应控制、分析化学等领域。
本文主要介绍被动微混合器的设计原理和数值模拟方法。首先介绍被动微混合器的基本结构和工作原理，然后重点讲述了不同类型的被动微混合器的设计方法，包括交错型、分支型、融合型等。最后介绍了利用数值模拟方法对被动微混合器的性能进行预测和优化设计的过程。
一、被动微混合器的基本结构和工作原理
被动微混合器主要由微流通道和局部扰动结构组成。其基本原理是借助微流通道内的流体动力学效应，使流体均匀地混合在一起，实现混合物的均匀化和加速反应的速度。被动微混合器的基本结构如图1所示。
（插入图1）
图1：被动微混合器的基本结构图
图1中，a表示入口，b表示出口，c表示混合区域，d表示局部扰动结构。在微混合器中，流体会经过局部扰动结构的作用，发生强烈的扰动，使流体的速度和方向发生突变，从而在混合区域内形成复杂的流动涡旋。这样的流动结构可以使两种或多种流体有效地混合在一起，实现混合的均匀化。
二、设计方法
被动微混合器的设计方法包括交错型、分支型、融合型等，具体如下：
1.交错型被动微混合器
交错型被动微混合器是被动微混合器中最简单的一种设计形式，其结构如图2所示。
（插入图2）
图2：交错型被动微混合器
在交错型被动微混合器中，两个或多个不同的微流路道交替布置在一起，形成“Z型”、“Y型”等复杂的结构。通过这样的结构设计方式，可以有效地增加混合区域的长度和局部扰动结构的数量，提高混合效率。
2.分支型被动微混合器
分支型被动微混合器是一种将两个或更多流体混合在一起的流道网络。其结构如图3所示。
（插入图3）
图3：分支型被动微混合器
在分支型被动微混合器中，流体沿着当选路线依次经过T型分支器，流量加倍器和局部扰动结构等局部结构的作用，使流体充分混合在一起且混合区域更加复杂。
3.融合型被动微混合器
融合型被动微混合器具有复杂的结构，能够实现三种或三种以上的流体混合。其结构如图4所示。
（插入图4）
图4：融合型被动微混合器
融合型被动微混合器的设计方法可以通过增加局部扰动结构的数量，扩大混合区域的面积，改变交叉口的设计和流体流动速率等方法来实现的。
三、数值模拟方法
目前，被动微混合器的数值模拟方法主要分为两类，即基于研究扩散过程的方法和基于流动控制的方法。
1.基于研究扩散过程的方法
基于研究扩散过程的方法主要是基于质量守恒和动量守恒等基本方程，采用计算流体力学（CFD）等数值方法对固定流动条件下的混合特性进行分析。通过这种方法，可以有效地描述流体在局部扰动结构下的传输过程，预测混合效率和流体流动的混沌特性。
2.基于流动控制的方法
基于流动控制的方法主要针对微观流体力学问题，采用微分方程等方法对流体微观运动特性进行研究，从而优化被动微混合器结构的设计。该方法的优点在于能够模拟微小尺寸下流体流动的特性，可以针对不同的流动状况进行深入分析。
四、结论
被动微混合器是微流控技术中非常关键的一个模块，其混合效率和混合质量决定了微流控芯片的基本性能。在被动微混合器的设计和数值模拟方面，不断地优化设计和提高模拟精度是实现微流控技术高效、简便的控制和操作的重要前提。相信随着微流控技术在不同领域的应用深入发展，被动微混合器的设计和数值模拟会得到更加广泛的应用和深入研究。