文獻回顧

近年來許多人為了要解決混合緩慢的問題，設計許多不同的混合裝置，這些 微型混合器依混合方式可以分為主動式混合器及被動式混合器兩大類：

1-2-1 主動式混合器 ( active mixer )：

主動式混合器是利用驅動器元件(moving parts)來移動混合器中的流體，且 裝置在混合室外部的驅動元件可藉由不同的能量形式，來驅動流體使流體在混 合室裡產生不穩定的擾動，達到快速混合的目的。

Evans and Liepmann (1997) ［1］如圖 (1.1) 利用兩側的熱驅動式氣泡泵(thermally actuated bubble-pump)產生氣泡，將流體推入混合區，藉由泵給予流場產生擾動 來促進混合。Yang 等學者(2001) ［2］如圖 (1.2) 利用混合室外加入一個壓電 材料(PZT)，然後將壓電材料通電產生超音波，而音波使得混合室產生震動促進 兩液體混合。Oddy 等學者(2001) [3] 設計一種加電壓式的混合器，利用泵將兩 流體推進混合器，然後在混合器左右旁邊施加高電壓，使得混合器的兩流體產 生不穩定的擾動。Miyake 等人(1993)[4]將一液體佈滿在混合區內，然後藉由 400 個長度 15μm 寬度 15μm 的微型噴嘴將混合液注入混合區，藉由噴嘴，增加兩 液體的混合接觸面積，達到快速的變化，如圖 1-4。

1-2-2.被動式混合器 ( passive mixer )：

被動式混合器除了使用固定流量驅動流體外，在無其他能量輸入的情況下，

利用管道的幾何結構，使流體產生與主流方向垂直的二次流現象，造成兩種不同 液體的接觸面積產生扭曲、拉長的現象，並且縮短要達成混合均勻的混合長度。

Schwesinger 等學者(1996) ［5］設計一混合系統，利用兩個管道接合後，又在同 一面分成兩個管道，持續接合的混合系統。主要利用幾何外型的上下、左右的分 合性質，使得兩液體多次分合，而增加兩液體之間的混合接觸面積，達到快速混 合，混合系統如圖 1.3 所示。

Stroock 等學者(2002)［6］在低雷洛數(Re=0.01~10)下，將水及甘油水在兩種底部 凹槽式的混合器進行混合，分別為直斜凹槽微混合器(striaight ridges micromixer)、

人形凹槽微混合器(staggered herringbone mixer)圖 1-4，藉由幾何外型的凹槽，產生 與主流呈垂直方向的橫向混沌流(chaotic flow)，可提升混合效果減少為管道長 度。實驗結果，人形凹槽微混合器的混合效果比直斜凹槽微混合器好，且需要完 成混合均勻的長度與 ln[Pe] 成正比(Pe 為 Peclet number Pe Vd

= D ，D 為擴散係 數，d 為水利直徑，V 入口平均速度)。

Aubin 等學者(2003) [ 7 ] 模擬直斜型凹槽微混合器、人形凹槽微混合器的流場，

其結果顯示，在直斜型凹槽微混合器會產生單一螺旋流場，而人形凹槽微混合器 則是產生兩個選轉方向相反的螺旋流場。此外，在相同管道長度 Y=0.01m 的質點

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-路徑分佈圖形中，人形凹槽微混合器比直斜型凹槽微混合器分佈的更均勻。且人 形凹槽微混合器的質點分佈圖與 Stroock 等學者［6］具有混沌流場的橫向截面 相當類似，因此利用質點路徑分佈圖形來進行量化混合效率。

Liu 等學者(2000)［8］利用 Silicon 蝕刻出三種混合器分別是矩形直管、方形波形 微混合器(square-wave mixer)與三維蜿蜒微混合器(Three-Dimensional serpentine mixer)，如圖 1-5 所示，並且利用酚酞指示劑與氫氧化鈉溶液來觀察混合現象。

結果顯示三維蜿蜒微混合器會比方形波狀混合器混合效果好，流體在三維蜿蜒微 混合器中存在著二次流(secondary flow)結合軸流(axial flow)造成液體間的接觸面 會拉長和重疊，因此混合接觸面積隨之增加，造成混沌對流現象，提升混合效果，

且混合能力會隨著雷諾數的增加而更快均勻。

Liu 等學者(2004) [9] 數值計算水與甘油水兩種液體在三維蜿蜒微混合器與人字 型凹槽微混合器的混合狀況。三維蜿蜒混合器在 Re=1 時，因混合單只靠分子擴 散作用，所以混合效率隨著甘油的濃度減少而快均勻。在 Re=10 時，因流場的對 流效應增，使得混合效率隨著甘油濃度增加而更快均勻。但是在人字型凹槽微混 合器的混合狀況中，不管改變 Re(Re=1、10)及濃度的大小，其混合效率並沒有很 明顯的改變。

Mengeaud 等學者(2002) ［10］計算二維(2-Ｄimensional) Z 型為混合器，兩流體由 Y 型微管進入，經 Z 型微管道，產生回流現象，達到兩流體的快速混合效果。而 幾何外型跟雷洛數均是影響混合效果的重要係數。其結果顯示，在同 Peclet number

(Pe=VL/D)值下，幾何外型 s/w=400(s 為兩個彎曲間的水平距離，w 為管的寬度)，

混合效果最好，主因是流場中產生迴流區域較廣，造成兩流體間的接觸面積拉 長，導致提升混合。

Bertsh 等人[11](2001)設計兩種微混合器，其ㄧ利用包含左螺旋右螺旋的結構產生 液體混合的效果，藉由流體分離原理，將流體的混合介面增加，達成混合效果。

其二分為由交叉管道所構成使流體分離後又接合的微管道混合器，如圖 1-6。

Knigh 等人[12](1998)利用微型噴嘴將液體直接注入與混合液正交方向的液體中，

由於擠壓的作用將混合一壓縮起來，藉由介面的擴散作用使得兩液體快速混合。

Gobby 等人[13](2001)模擬甲醇與氧氣在 T 行為混合器中的特性，氣體假設為層流 可壓縮流及滑移邊界，改變高寬比及進口角度性質，即不同流速值進行混合模 擬，結果顯示，混合均勻所需的長度與流速成正比，高寬比增加十混合長度成反 比，而改變進口型狀為節流閥設計，其混合效果提升。

Schonfeld and Hardt (2004)［14］ 利用模擬軟體分析單壁面斜凹槽管道、雙壁面斜 凹槽管道及矩形彎管的二次流大小。結果顯示，在雙壁面凹槽管道與單壁面凹槽 管道的相較之下，雙壁面凹槽管道中具有較大的橫向的平均速度。在矩形彎管 中，管內的流場因離心力作用造成二次流現象，然而改變 K 值 (Dean number，

K=Re(d/R) ，d 為水利直徑，R 為彎管的彎曲半徑)，可觀察出二次流圖案形式 由一對渦流增至兩對。

0.5

流體流經彎管會有二次流的產生，且此現象有助於微流體的混合分析，因此

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-我們將探討彎管內的流場性質，參考不同的重要參數以及幾何外型，作為促進混 合效率的機制。

Hille 等學者(1985)［15］利用雷射督普勒速度計(laser-Doppler Velocimeter)量測在 180 度矩形彎管中的流體，利用不同的 K(Dean number)參數和方位角度θ來觀察 流場中的變化 。結果發現由於彎管的幾何條外型，離心力的作用下使得θ=0°~60

°動量朝著外側壁面傳輸，而在θ=45°~108°有部分動量傳輸是朝向內側壁面。在 截面高寬比為 1，彎曲率為 6.45 的幾何外型下，K 值在介於 150 至 300 之間，發 現截面二次流有第二對渦流在外側壁面附近形成且旋轉方向互相相反，且位置在 θ=108°~127°之間。

Bara 等學者(1992) [ 16] 針對 270 度矩形彎管進行數值分析和實驗分析，利用雷射 都普勒速度計(laser- Doppler Velocimeter)來量測管道彎曲率 R/d=15.1 的彎管流 場。結果發現，當 K=125 時，在方位角θ=20°~270°之間，截面二次流圖形均是由 一對旋轉方向相反的渦流構成。當 K=150 時，在θ=100°~120°之間，截面二次流 圖形由一對渦流增至為兩對渦流。且流場在彎管內發展成完全發展流時，觀察θ

=120°~240°以後的截面圖，則二次流的圖形將恢復兩對渦流的現象。其管道的高 寬比、彎曲率及流場的雷諾數均是影響二次流的重要參數。