李藝凡，夏國棟，王軍

（北京工業(yè)大學環(huán)境與能源學院強化傳熱與過程節(jié)能教育部重點實驗室，北京 100124）

結構參數(shù)對布置窄縫和擋板的微混合器內(nèi)流體流動和混合的影響

李藝凡，夏國棟，王軍

（北京工業(yè)大學環(huán)境與能源學院強化傳熱與過程節(jié)能教育部重點實驗室，北京 100124）

基于混沌對流原理設計了一種布置窄縫和擋板結構的被動式微混合器，并采用三維數(shù)值模擬和可視化實驗對該微混合器內(nèi)流體流動與混合特性進行了研究。窄縫和擋板的共同作用使微混合器水平面內(nèi)形成了擴展渦和分離渦，垂直流動方向的截面內(nèi)形成了對稱的反向旋渦，多維度渦系顯著提高了混合效率。窄縫和擋板的結構尺寸對流體流動和混合有重要影響。綜合考慮混合強度和壓降，利用場協(xié)同原理分析窄縫寬度、窄縫長度、擋板高度對微混合器綜合性能的影響并得到了不同Reynolds數(shù)條件下的最優(yōu)結構參數(shù)。

微尺度；混合；場協(xié)同原理；結構優(yōu)化；數(shù)值模擬

引 言

近年來，微流控芯片（microfluidic chip）由于具有比表面積大，流體表面張力和黏性力作用強，試劑用量少等特點，廣泛應用于生物化工領域。對于生物分析、化學合成而言，大多需要試劑快速高效混合，因此微混合器成為微流控系統(tǒng)的關鍵部分[1]。微尺度下流體流動通常為層流，混合時間較長，因此提高微混合器的混合性能成為研究重點[2]。

被動式微混合器通過優(yōu)化設計微通道結構對流體形成擾動，增加流體間的接觸面積，從而提高混合效率，不需要附加動力源[3-6]，因此更加穩(wěn)定且易于集成。混沌對流（chaotic advection）是指利用特殊的通道形式使流體在層流條件下，產(chǎn)生擴散特性接近于湍流的流動狀態(tài)，這種流動狀態(tài)下流體粒子軌跡為混沌態(tài)[7]。利用混沌對流原理使原本平行的流體層發(fā)生拉伸、分割、扭曲、折疊等現(xiàn)象，促使流體產(chǎn)生橫向流動和旋渦區(qū)，可顯著強化混合[3-4]。在微通道中設置障礙物是實現(xiàn)混沌對流的方法之一[8-9]。許多研究者對障礙物的形狀、布置方式、幾何尺寸等進行研究，結果表明，障礙物的結構參數(shù)對微混合器的混合性能有很大影響，通過結構優(yōu)化能夠極大提高混合效率[10-11]?；旌蠌姸群蛪航凳俏⒒旌掀鞯闹匾阅軈?shù)，實際應用中往往希望混合效率高且壓降較小。已有文獻[6,12-13]大多為研究結構參數(shù)對混合效率和壓降的影響，不能夠綜合評價微混合器的整體性能。對流傳質(zhì)的場協(xié)同原理是從流體速度場和組分濃度場內(nèi)在聯(lián)系的角度分析強化傳質(zhì)機理，證明了減小速度矢量和組分濃度梯度間的夾角是強化混合的有效措施，提出了通過改善速度場與濃度場的協(xié)同關系控制對流混合的方法[14-16]。利用該原理能夠從傳質(zhì)的角度對混合機理進行分析，并對微混合器的綜合性能進行評價，但目前尚缺乏相關報道。

本文設計了一種布置窄縫和擋板結構的微混合器，通過三維數(shù)值模擬和可視化實驗分析該微混合器內(nèi)流體的流動和混合特性。綜合考慮混合性能和壓降兩個因素，利用場協(xié)同原理分析窄縫寬度、窄縫長度及擋板高度對微混合器綜合性能的影響。

1 混合器設計

圖1為布置窄縫和擋板結構的微混合器。該微混合器由“十字形”入口和一系列窄縫（G1、G2）和擋板（B1、B2、B3、B4）組成。流體1由入口1和入口2進入微混合器，流體2由入口3流入微混合器。微混合器高100 μm，總長度為1.9 mm，入口1和入口2通道寬度相等且均為入口3通道寬度的一半，以保證不同組分流體等量注入通道便于比較。窄縫G1、G2的寬度Wd、長度Sd和擋板B1、B2、B3、B4的高度H作為結構優(yōu)化的3個參數(shù)。為保證微混合器總長度不變，窄縫長度Sd改變時，圖1中L1和L2不變，直通道長度L3隨Sd變化。本文對結構參數(shù)不同的微混合器進行比較均以微混合器總長度一定為基準，比較一定混合長度內(nèi)的混合效率和壓降。保持不變的結構參數(shù)為Wa=Wb=80 μm；Wc=160 μm；We=30 μm；Wf=100 μm；W=290 μm；B=50 μm；L1=100 μm；L2=510 μm。

圖1 布置窄縫和擋板結構的微混合器Fig.1 Schematic diagram of micromixer with gaps and baffles

2 數(shù)值模擬

本文利用Fluent 6.3軟件對微混合器內(nèi)的流體流動與混合特性進行三維數(shù)值模擬。采用去離子水和黑色墨水溶液作為兩種可無限互溶的流體工質(zhì)。數(shù)值模擬中去離子水的密度ρ= 998 kg·m?3，動力黏度系數(shù)μ= 0.97×10?3kg·m?1·s?1，擴散系數(shù)D= 3.23×10?10m2·s?1[8]。兩種混合工質(zhì)間不發(fā)生化學反應，可忽略溶解熱效應。通常用Knudsen數(shù)來判斷宏觀尺度的數(shù)學模型及邊界條件是否適用于微尺度。本文模擬條件下Knudsen數(shù)遠小于10?3，因此N-S方程及無滑移條件仍適用。流動為穩(wěn)態(tài)、層流，流體為不可壓縮牛頓流體，忽略重力作用，控制方程包括連續(xù)性方程、動量方程和組分濃度方程，分別為

式中，V為速度矢量；?V為速度梯度；ρ為工質(zhì)的密度；μ為動力黏度系數(shù)；p為壓力；D和C分別表示組分擴散系數(shù)和組分濃度。

微混合器3個入口均為速度入口邊界條件，出口相對壓力為零，壁面設為絕熱邊界條件。采用SIMPLEC方法耦合壓力項，空間離散采用二階迎風格式。采用六面體結構化網(wǎng)格進行網(wǎng)格劃分。本文Reynolds數(shù)變化范圍為0.1～60，根據(jù)去離子水的物性參數(shù)和入口3的當量直徑進行計算。Re=40時，網(wǎng)格數(shù)為19.6萬、41.5萬、63.9萬個的計算單元分別與網(wǎng)格數(shù)為151.5萬個的微混合器計算單元得到的進出口壓降比較，最大誤差分別為3.2%、0.9%和0.005%。因此微混合器計算單元取總網(wǎng)格數(shù)63.9萬個。當各變量間相對殘差小于10?8時，數(shù)值結果被判定為收斂。

3 微混合器性能評價方法

大多數(shù)文獻中采用混合強度對微混合器的混合性能進行評價[10,13,17-19]，計算公式如下

式中，n為微通道橫截面上濃度值采樣點個數(shù)，本文為1160；ci為任意垂直于流動方向的截面上某組分在采樣點上的組分質(zhì)量分數(shù)；c∞為充分混合時的組分質(zhì)量分數(shù)，為0.5；σ為垂直于流動方向的橫截面上組分質(zhì)量分數(shù)的偏差；σmax為截面上初始時刻無混合時質(zhì)量分數(shù)的偏差，本文為0.5；M(0≤M≤ 1)為橫截面上的混合強度。混合強度M為0表示組分間完全不混合，混合強度M為1表示不同組分流體間完全混合。本文統(tǒng)一選取微混合器出口截面（距入口1.9 mm的y-z截面）計算混合強度M，對不同結構參數(shù)的微混合器的混合效率進行比較。實驗結果也是選取距離入口1.9 mm處得到的，與數(shù)值模擬中出口截面的位置相同。

進出口壓降是微混合器實際應用中的一個重要參數(shù)，壓降過高的微混合器不僅消耗較高的泵功且不利于封裝和集成。因此綜合考慮混合強度和壓降，得到混合效率高且壓降較小的結構是被動式微混合器結構優(yōu)化的關鍵。本文根據(jù)場協(xié)同原理對微混合器的混合效率和壓降進行綜合評價。

對穩(wěn)態(tài)、無組分源項、層流、三維組分濃度方程，即式(3)，進行積分可得

速度矢量和組分濃度梯度的點積可表示為

式中，βm為速度矢量和組分濃度梯度間的協(xié)同角。

根據(jù)動量方程，壓降可以表示為

式中，τw代表壁面剪切力。速度矢量和速度梯度的點積表示為

式中，α為速度矢量和速度梯度間的協(xié)同角。

可見，協(xié)同角βm越小，速度矢量方向和濃度梯度方向之間的偏差越小，對強化傳質(zhì)越有利；協(xié)同角α越大，速度矢量方向和速度梯度方向之間的偏差越大，對減小壓降越有利。

此外，速度梯度與組分濃度梯度之間的點積可表示為

4 結果與討論

4.1 實驗分析

本文借助微流體實驗平臺進行可視化實驗研究，對微混合器內(nèi)流體混合特性進行定性和定量分析，并與數(shù)值模擬結果對比。微混合器實驗件采用聚二甲基硅氧烷（PDMS）材質(zhì)，利用軟刻蝕法加工。實驗前，先將去離子水放入真空環(huán)境中靜置除氣，避免水中氣泡影響流型。實驗中，為了便于觀察混合現(xiàn)象，采用去離子水和黑色墨水溶液（用去離子水稀釋到0.025 g·ml?1）作為兩種流體工質(zhì)，擴散系數(shù)為D= 3.23×10?10m2·s?1，墨水顏色變化反映混合程度[8,11]。利用微注射泵（Harvard PHD22/2000）分別將去離子水和黑色墨水溶液等速注入微混合器。使用熒光顯微鏡（尼康Ecliplse 80i）結合CCD照相機（尼康DS-Fi1）捕捉流體混合過程的光學圖像。實驗中，環(huán)境壓力和溫度分別為1.013×105Pa和20℃。

圖2(a)為不同Re下，實驗得到的光學圖像。圖2(b)為相同參數(shù)下數(shù)值模擬得到的濃度、流線分布。本文研究不同結構微混合器所選取的x-y截面均為微通道高度方向上的中心截面，即z=50 μm的平面。該微混合器的結構參數(shù)為Wd=40 μm、Sd=50 μm、H=100 μm。由圖可知，實驗和模擬得到的流體流動形態(tài)、混合效果均吻合良好。Re= 0.1時，流體流動速度非常慢，在給定的混合長度內(nèi)分子擴散較充分，因此混合效果較好。Re= 1時，流速比Re= 0.1時大，混合時間縮短，兩種流體交界面變得清晰，混合強度降低。Re繼續(xù)增大，對流混合逐漸取代分子擴散成為混合的主導作用，窄縫和擋板結構對混合效果的影響增強，通道內(nèi)產(chǎn)生了旋渦區(qū)。

圖2 不同Re下微混合器x-y截面內(nèi)流體流動和混合特點Fig.2 Characteristics of fluid flow and mixing inx-yplanes of micromixer with differentRe

利用Image J軟件提取混合圖像的灰度值，代入式(4)和式(5)中計算得到混合強度，并和數(shù)值模擬結果比較，見圖3?？梢钥闯觯谒芯康腞e范圍內(nèi)，實驗得到的數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結果吻合度較好，驗證了該數(shù)值模擬方法的有效性。模擬數(shù)據(jù)與實驗數(shù)據(jù)的平均相對誤差為8.65%，存在誤差的原因為：模擬中假設用墨水標記的去離子水和純凈去離子水物性參數(shù)相同；PDMS微混合器有一定的粗糙度，由于鈍化作用不能形成精確的直角。通道內(nèi)流體的混合強度隨Re的增大先減小后增大，Re= 1時，混合強度最?。〝?shù)值模擬結果為0.481，實驗結果為0.407）。Re= 0.1和Re≥ 40時，模擬和實驗結果均大于0.9。

4.2 窄縫寬度Wd對微混合器影響的數(shù)值分析

圖4比較了不同Wd時，混合強度和壓降隨Re的變化(Sd=50 μm，H=100 μm)。由圖可知，隨著Wd減小，混合強度顯著增加。Wd減小使分子擴散向?qū)α骰旌系霓D(zhuǎn)變點提前。Wd=10 μm時，分子擴散與混沌對流間的轉(zhuǎn)換不明顯，混合強度均大于95%。隨著Re增加，壓降逐漸增加。Wd越小，混合器壓降越大。Wd=10 μm時流體的慣性碰撞和旋渦區(qū)的運動造成了較大的能量損失。窄縫寬度是影響該微混合器性能的重要結構參數(shù)。

圖4 不同Re下窄縫寬度對混合強度和壓降的影響Fig.4 Effect of gap width on mixing index and pressure drop with differentRe

圖5為平均場協(xié)同角βm和α隨Re的變化。如圖所示，Wd=10 μm時，βm最??；Wd=160 μm時，βm最大。Wd越小，流體在垂直流動方向上的運動越劇烈，速度矢量與濃度梯度間的夾角越小，混合效率越高，這與混合強度的結果一致。隨著Wd減小，α減小，說明微混合器壓降增大，這與壓降的結果一致。圖4和圖5的一致性說明利用場協(xié)同角能夠準確評價微混合器的混合性能和壓降。

圖5 平均場協(xié)同角隨Re的變化Fig.5 Average field synergy angle varied withRe

對Wd=10、40、160 μm的微混合器內(nèi)濃度及流線分布進行比較，見圖6。Re=1，Wd=10 μm時，節(jié)流作用很強，在窄縫后產(chǎn)生了回流。Re=20時，微混合器內(nèi)產(chǎn)生旋渦區(qū)，Wd越大旋渦區(qū)越小。Re=60時，Wd=10 μm的微混合器內(nèi)流動最紊亂，流體經(jīng)過窄縫G2后，在直通道內(nèi)形成4個旋渦區(qū)；Wd=40 μm的微混合器內(nèi)形成了成對的擴展渦和分離渦；Wd=160 μm時，擴展渦較小且靠近通道側壁，混合效果較差。

不同Wd下場協(xié)同角γ的變化如圖7所示。Re較小且窄縫較寬時，窄縫對流體的阻擋作用小，微混合器的壓降較低，因此有利于提高混合器的整體性能，Wd=160 μm時γ較大。對于Re≥40，Wd=40 μm時γ最大。這是由于減小Wd能夠增強混沌對流，速度梯度和濃度梯度協(xié)同關系更好。因此Wd=40 μm時微混合器的整體性能較好。若Wd＞160 μm，Re＜40時，窄縫寬度對γ的影響較小；Re≥40，Wd=40 μm時γ仍最大。

圖6Re= 1、20、60時不同Wd的微混合器內(nèi)x-y截面上濃度和流線分布Fig.6 Concentration and streamline distributions inx-yplanes of micromixers with varyingWdatRe= 1, 20, 60

圖7 不同窄縫寬度條件下平均場協(xié)同角γ隨Re的變化Fig.7 Variations of average field synergy angleγwithRefor different gap width

4.3 窄縫長度Sd對微混合器影響的數(shù)值分析

圖8為不同窄縫長度下混合強度和壓降隨Re的變化（取Wd=40 μm，H=100 μm，圖中空心方形、圓形、上三角、下三角、菱形分別代表Sd=20、50、100、150、200 μm）。Sd=20 μm時窄縫對流體的擠壓作用弱，混合效率始終最低。對于Re=0.1～10，Sd=100 μm時混合強度最大；Re=20～60，Sd不同時混合強度相差較小，Sd=200 μm時混合強度略大于其他結構。如圖所示，隨著Sd增大，窄縫對流體的擠壓時間增長，阻力損失增加。

圖8 窄縫長度對混合強度和壓降的影響Fig.8 Effect of gap length on mixing index and pressure drop

圖9 微混合器x-y平面內(nèi)濃度和流線分布Fig.9 Concentration and streamline distributions onx-yplanes of micromixers (Sd=20, 100, 200 μm,Re=0.1, 20)

圖9為Sd=20、100、200 μm時混合工質(zhì)在x-y平面內(nèi)的濃度和流線分布。當Re=0.1，Sd=100 μm時混合效果最好，Sd=200 μm次之，Sd=20 μm最低；Re=20時，混合強度隨Sd增加有所提高。一方面，窄縫對流體的擠壓作用可以縮短擴散距離，使分子擴散更加充分；另一方面，窄縫產(chǎn)生噴射節(jié)流效應，有益于混沌對流。Re較小時，窄縫過長會使流體處于高速流動的時間延長，流體流經(jīng)微混合器的總時間縮短，流體接觸不充分，對分子擴散為主導的混合不利，因此不是窄縫越長混合效果越好。Sd越大，流動阻力越大，流體靜壓值降低越多。通道中心處速度比壁面處高，分子擴散效果較好。而Re較大時，窄縫越長形成的擴展渦越大，在旋渦區(qū)內(nèi)形成逆向壓力梯度且流速較低，流體充分摻混、碰撞，較強的噴射效應有利于混沌對流。

不同窄縫長度時協(xié)同角γ隨Re的變化如圖10所示。對于Re=0.1～10，Sd=50 μm時γ值最大；Sd=20 μm時，窄縫縮短擴散距離的作用??；Sd≥100μm，微混合器壓降較大，因此微混合器整體性能較差。Re=20時，Sd=200 μm的微混合器γ最大。對于Re=40、60，Sd=50 μm時協(xié)同角γ最大，原因是增加窄縫長度雖然增強混沌對流，但壓降增加更明顯。若Sd＞200 μm，Re=10、20時，混合強度隨Sd增加進一步增加。Sd=505 μm（L3=0），即擋板之后完全變?yōu)檎ǖ罆r，混合效率較低，這是由于失去了原來的突擴結構，不能形成擴展渦。由于Sd越大，壓降越大，Sd＞200 μm時，協(xié)同角γ值較小，窄縫長度繼續(xù)增加對微混合器綜合性能最佳值無影響。

圖10 不同窄縫長度條件下平均場協(xié)同角γ隨Re的變化Fig. 10 Variations of average field synergy angleγwithRefor varying gap length

4.4 擋板高度H對微混合器影響的數(shù)值分析

擋板高度H=0 μm時，表示微混合器內(nèi)無擋板結構；H=100 μm表示擋板高度與微通道高度相同。取H=0、25、50、75、100 μm進行數(shù)值模擬（Wd=40 μm，Sd=50 μm），如圖11所示。在所研究的Re范圍內(nèi)，H=100 μm時混合強度最高。當Re=0.1，H=25、50、75 μm時混合效率相差不大，均比H=0 μm時的混合效率低。對于Re＞ 1，H=0 μm時混合效果最差，且分子擴散和混沌對流的轉(zhuǎn)換點推遲。由圖可知，隨著H增加，擋板對流體的阻礙作用增大，壓降逐漸升高。

圖12為擋板高度不同的微混合器的濃度及流線分布。Re=0.1時，流動非常緩慢，H=0 μm時流體進行了充分的分子擴散，加之窄縫的擠壓作用，混合效果優(yōu)于H=50 μm的混合器。H=50 μm時擋板不能將流體完全分離，一部分流體由擋板上方流過，且擋板使流動截面積減小，縮短了混合時間，混合效果不佳。H=100 μm時，流體被擋板完全分離，擋板B2、B3之間及其與通道側壁間的縫隙對流體擠壓，混合效果最好。Re=60，H=0 μm時由于缺乏擋板的擾流作用，窄縫G1后只產(chǎn)生了一對擴展渦，且渦系主要位于流體1內(nèi)，混合效果最差；H=50 μm時，旋渦主要在窄縫處產(chǎn)生；H=100 μm時，擋板后產(chǎn)生了分離渦，混合性能最好。

圖11 不同擋板高度條件下混合強度和壓降隨Re的變化Fig.11 Variations of mixing index and pressure drop withReunder varying baffle height

沿x方向取微混合器不同位置處y-z截面，比較H=0、50、100 μm時y-z截面上的流線分布，如圖13所示。Re很小時，H=0、100 μm的微混合器內(nèi)基本不存在z方向上的運動。H=100 μm時，流體被分離成幾股繞過擋板流動，截面B—B、C—C上流線較H=0 μm時復雜；H=50 μm時，流體在截面B—B、C—C上存在z方向的運動。對于Re=60，微混合器內(nèi)均產(chǎn)生旋渦。H=0 μm時，截面A—A、B—B、C—C內(nèi)，x-y平面內(nèi)的擴展渦使流體產(chǎn)生y方向上的流動。D—D截面處，由于窄縫的阻擋，流動方向改變，產(chǎn)生很小的回流區(qū)。H=50 μm時，截面A—A上出現(xiàn)了一對方向相反的旋渦，在截面B—B上演變?yōu)閮蓪Υ笮〔坏鹊姆葱郎u，在垂直流動方向的平面內(nèi)產(chǎn)生了渦系。這是因為窄縫G1的擠壓作用和擋板對底部流體的分離作用，使微通道下部流體與上部流體流速不同。隨著窄縫作用減弱，截面C—C、D—D內(nèi)旋渦減小。H=100 μm時，水平面內(nèi)形成的擴展渦使截面A—A內(nèi)流體由微通道側壁向通道中央?yún)R聚。截面B—B內(nèi)出現(xiàn)兩對大小相等方向相反的旋渦。截面C—C內(nèi)，經(jīng)過擋板B2、B3的3股流體重新匯合。在D—D截面內(nèi)，流體向通道中心流動。3個微混合器內(nèi)窄縫G2作用相同，因此截面E—E內(nèi)流線分布相似。擋板能夠使流體在垂直流動方向的截面內(nèi)產(chǎn)生旋渦，促進微通道高度方向上流體的摻混。

圖14為不同Re下?lián)醢甯叨葘ζ骄鶊鰠f(xié)同角γ的影響。Re=0.1、1時，H對協(xié)同角γ的影響不大。Re＜40時，壓降最小的H=0 μm的微混合器γ最大。隨著Re增大，流體產(chǎn)生垂直x方向的流動，擋板在水平面及豎直截面內(nèi)誘發(fā)渦系。Re≥40時，H=100 μm的微混合器綜合性能最佳。因此Re＜40時，可以僅布置窄縫使微混合器獲得較好的綜合性能，但這種結構的混合效率較低。Re≥40時，擋板高度與微通道高度相等時最優(yōu)。

圖12 擋板高度不同的微混合器內(nèi)x-y截面上濃度和流線分布(Re= 0.1、60)Fig.12 Concentration and streamline distributions onx-yplanes of micromixers with different baffle heights atRe= 0.1, 60

5 結 論

本文對布置窄縫和擋板結構的微混合器內(nèi)流體流動和混合特性進行了數(shù)值模擬和實驗研究。根據(jù)場協(xié)同原理對不同窄縫寬度、窄縫長度和擋板高度的微混合器的混合性能進行分析比較。結果表明，窄縫和擋板結構對流體的擠壓加速作用、分離重組作用以及在微混合器內(nèi)形成的多維度渦系，有效地增加了流體的接觸面積，能夠顯著強化混合。Re較小和較大時，該新型微混合器的混合效率較高，其原因分別是由于分子擴散作用（小Re）和混沌對流作用（大Re）。窄縫較窄或較長時雖然混合效率有所提高，但壓降太大，降低擋板高度雖然可以降低壓降但混合效率太低，因此微混合器結構設計和優(yōu)化時應綜合考慮混合效率和壓降。本文引入場協(xié)同角γ，綜合分析了混合器的混合性能和壓降，為微混合器綜合性能評價提供了新方法，從傳質(zhì)角度揭示了該微混合器利用混沌對流強化混合的機理。

圖13 不同擋板高度條件下微混合器內(nèi)y-z截面上流線分布（Re= 0.1、60）Fig.13 Streamline distributions at differenty-zplanes of micromixers with varying baffle height forRe= 0.1、60

圖14 擋板高度對平均場協(xié)同角γ的影響Fig.14 Effect of baffle height on average field synergy angleγ

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Effect of structural parameters on fluid flow and mixing characteristics in micromixer with gaps and baffles

LI Yifan, XIA Guodong, WANG Jun
(Key Laboratory of Enhanced Heat Transfer and Energy Conservation Ministry of Education,School of Environmental and Energy Engineering,Beijing University of Technology,Beijing100124,China)

A passive micromixer with gaps and baffles was proposed based on the principle of chaotic mixing and the fluid flow and mixing characteristics in the micromixer were studied by three-dimensional numerical simulation and visualization experiment. Expanded vortices and separated vortices were generated in the horizontal plane and counter-rotating vortices formed in the cross-sectional plane perpendicular to the flow direction by the combination of gaps and baffles. The mixing efficiency was significantly improved by the multidirectional vortices. The geometrical parameters of gaps and baffles had great effect on the fluid flow and mixing. Based on the consideration of mixing efficiency and pressure drop, the effect of gap width, gap length and baffle height on the comprehensive performance of the micromixer was investigated by the field synergy principle. The optimal structural parameters were presented with varying Reynolds number.

microscale; mixing; field synergy principle; structural optimization; numerical simulation

Prof. XIA Guodong, xgd@bjut.edu.cn

10.11949/j.issn.0438-1157.20150086

TQ 027.1

：A

：0438—1157（2015）10—3857—09

2015-01-20收到初稿，2015-05-07收到修改稿。

聯(lián)系人：夏國棟。

：李藝凡（1988—），女，博士研究生。

國家自然科學基金項目(51176002)；國家重點基礎研究發(fā)展計劃項目(2011CB710704)；北京市自然科學基金項目(3142004)。

Received date: 2015-01-20.

Foundation item: supported by the National Natural Science Foundation of China (51176002), the National Basic Research Program of China (2011CB710704) and the Natural Science Foundation of Beijing (3142004).