III. 結果
3. 凹面型微流振盪器
3.2 流場特徵
圖二十二為不同設計的微流振盪器內之流場可視化結果。由圖二十二可發現，擋體的凹面半徑 為450 μm，具突擴入口的微流振盪器，在Re = 100時凹面上有一停滯點，且受Coandă effect影響，
停滯點明顯偏離中心線，使凹面內出現單一渦漩。隨Re增加，此停滯點開始在凹面表面隨時間橫 向移動，近一步提升 ME 值。反之，在擋體凹面半徑為600 μm，具突擴入口的微流振盪器內，當 Re = 100時，由於其曲率半徑較大，且凹面內的區域較小，所產生的離心力較弱，並沒有觀察到 Görtler不穩定性的發生，停滯點只有些微的偏轉，凹面的腔體內存在兩個旋轉方向相反的渦漩對。
在Re小於150時， ME 值很低。隨著Reynolds number的增加，流場不穩定性隨著微流振盪器的設計 而有不同的流場特徵。對於凹面半徑為450 μm圓角設計和凹面半徑為600 μm銳角設計的微流振盪 器，在較大的Reynolds number時，凹面腔室內除了兩個旋轉方向相反的渦漩對外，還多了兩個二 次流的渦漩對，出現在擋體凹面附近，將原有的兩顆大渦漩推擠至側壁。此時，流場極不穩定，
所產生的自持性橫向擺動，可進一步提升混合效率。在凹面半徑為450 μm的微流振盪器中加入突 擴入口設計，在高Re時會在凹面腔室內出現兩顆旋轉方向相同，彼此相連的渦漩對，此種流場特 徵極不穩定，使混合效率顯著提升。
圖二十二 流場可視化結果
為了進一步了解微流振盪器內的流場型態，我們將流場可視化的結果分成四種型態 I、II、III 和IV，如圖二十三所示。在流場可視化中所觀察到的流場型態，需利用奇異點 (singular points)分 析，判斷流場是否符合運動可行性(kinematically possible)的條件。Hunt 等[15]提出合理的 2D 流場 皆須滿足式(3)。
1 1
' ' 1
2 2
N N S S c
⎛ + ⎞ ⎛− + ⎞= −
⎜ ⎟ ⎜ ⎟
⎝
∑ ∑
⎠ ⎝∑ ∑
⎠ (1) 其中∑
N代表流場節點 (nodes) 總和，∑
N'代表流場半節點 (half-nodes) 總和，∑
S代表流場鞍點 (saddles) 總和，
∑
S'代表流場半鞍點 (half-saddles) 總和，c 則由流場內部障礙物的數量及形 式所決定，本研究中的微流振盪器內含一凹面擋體，故 c 值為 2。本研究中所出現的四種流場型態 如圖二十三所示，其奇異點分析皆滿足式(3)。型態I為擋體凹面內有兩顆反向旋轉的渦漩，擋體後方壁面亦有兩顆反向旋轉的渦漩，而下游 流道轉角靠近壁面處各有一顆渦漩，彼此亦為反向旋轉。而型態I對應到所有設計的微流振盪器內 Re = 50的情況。隨著Reynolds number的增加，出口處的流場型態會轉變為凹面擋體後有一對渦漩 形成，而在轉角靠近壁面處出現分離的渦漩。型態I可再細分為IA、IB、IC三種，其中IA為凹面內 渦漩較對稱，流場穩定，凹面上的停滯點不隨時間改變，且下游流道沒有發生流體振盪現象；IB 為凹面內的兩顆反向旋轉的渦漩隨時間縮小擴大，並產生橫向振盪，使分離兩渦漩的停滯點沿凹 面橫向擺動；IC為凹面內有單顆渦漩隨時間在流向上振盪，但凹面上的停滯點不變，IB、IC在擋 體後方壁面處有兩顆反向旋轉的渦漩，下游流道皆受到轉角處兩側壁面渦漩影響而產生橫向振盪。
圖二十三 流場型態的分類
型態II 亦可細分為 IIA、IIB 二種，IIA 為除漸擴側壁所存在的兩顆大渦漩外，擋體凹面內出現
一對反向旋轉的小渦漩，並隨時間橫向振盪；IIB 為擋體凹面內出現一對反向旋轉的小渦漩，隨時
MEMEME MEME
0.0
1.0 IA IB+IIA IIA
A450S
1.0 IA IB+III III
A600EX 現，臨界Reynolds number 皆對應到流場型態的轉換 (transition)。在低 Reynolds number 時，不同 設計的微流振盪器內其流場型態皆較為對稱且呈穩態。對於直管入口設計的微振盪器(A300S、
A450S、A600S)，在 Reynolds number 增加後，射流進入後會在側壁分離出一對渦漩，在擋體凹面 內出現兩個反向旋轉的渦漩，即轉變為型態II。進入型態 II 後 ME 大幅增加，流場型態為 IIA 時，
在凹面擋體內的渦漩出現橫向的振盪，進一步提升了微流振盪器內的混合能力。當Reynolds number
持續增加， ME 亦隨之升高，這主要是因為隨著 Reynolds number 的增加慣性力亦增強，使得流體 振盪的振幅變大。含直管入口設計的微流振盪器，一般其臨界Reynolds number 小於 300。
當微流振盪器中加入突擴入口的設計後(R300EX、R450EX、R600EX)，由於流場型態的改變 使得混合效果變佳，這主要是因為在很低的Reynolds number 即能進入型態 IB，使得 ME 值急遽上 升，如圖二十四所示。比較直管入口與突擴入口的微流振盪器可發現，兩者之間有很大的不同。
加入突擴入口設計能使流場變得非常不穩定，在高Reynolds number 時會使流場型態轉變成 III 或 IV，即產生紊流的狀態，因此混合效率遠佳於直管入口設計的微流振盪器。