DSRM 混合器混合效能分析與探討

第五章結果與討論

5.3 DSRM 混合器混合效能分析與探討

為瞭解雙壁面皆具傾斜溝槽之混合器外形是否提升混合效率，因此於單傾斜溝槽結構混合器之上壁面增加傾斜溝槽，模擬其對混合效率之影響。

5.3.1

計算網格

共建立兩個計算網格，第一個計算網格（如圖

5.47

）為先求得單一週期內之速度場分佈，第二個計算網格（如圖

5.48

）主要目的在計算下游各週期之濃度場分佈情形，格點總數

327150

，週期性網格格點數為

248400

。

5.3.2

流場特性

由第一個週期內分別截取

13

個橫向截面（

A~M

）位置（如圖

5.49

），便於觀察流場對濃度分佈之影響。由橫向截面速度、流線及濃度分佈

圖（如圖

5.50

）得知，在

DSRM

混合器中因管道上下壁面具有溝槽結構，造成位於溝槽區域流體皆產生由左向右流動，上方溝槽翻轉向下進入主流道，而下方溝槽則是翻轉而上流入，形成一逆時針與順時針旋轉之流場型態。因流道上下具有二次流場，其造成流體扭曲情形將比

SRM

更加強烈。濃度分佈受到流場影響，靠近管道右側區域受到上下溝槽內流體翻入，因而擠壓變形，隨著愈往下游移動影響愈大，高濃度區順著流場方向慢慢向左移動。

5.3.3

混合效率探討

從各週期截面（截面位置參考圖

5.11

）濃度分佈（如圖

5.51

所示）

情形，因橫向截面具有一對旋轉方向相反二次流場，帶動濃度分佈形成上下對稱之分佈現象，使得扭曲介面比

SRM

增加一倍，當到達最後一個週期時，已有不錯的混合效果，另從質點在各截面之分佈狀態（如圖

5.52

）可發現，質點受速度場影響往上下溝槽方向移動，並在靠近溝槽處介面拉伸延長，最後整個質點所形成之帶狀寬度愈來愈窄，因此擴散時間縮短，提昇混合效率。透過混合效率的計算（依據

3.11

式）

並與

SRM

比較，從圖

5.53

得知，

DSRM

因具有上下溝槽結構，混合效率優於單溝槽結構。

5.4

直型傾斜溝槽混合器之最佳化外型

我們由上述討論之傾斜溝槽混合器中挑選出最佳之幾何外型參數組合，進行混合效率分析，最佳化之幾何外型採雙溝槽結構；溝槽深

度

G

=0.6d

；溝槽寬度

G

=1d

；溝槽傾斜角度

θ=45°

並與具單溝槽及雙溝

槽結構混合器比較，由圖

5.54

可以明顯發現，最佳化後之

SRM

結構混合效率遠遠優於其他混合器，混合效率在接近出口處已趨近

0.005

。

5.5

人字形混合器（

SHM

）與具傾斜阻塊人字形混合器（

OBSHM

）混

合效能分析

5.5.1

人字形混合器（

SHM

）混合效能分析

1.

網格結構

同樣共建立兩計算網格，第一個計算網格（如圖

5.55

）為先求得單一週期內之速度場分佈，第二個計算網格（如圖

5.56

）主要目的在計算下游各週期之濃度場分佈情形，格點總數

347520

，週期性網格格

點數為

295680

。

1.

流場特性

由

SHM

第一週期選較具代表性之

15

個截面

(

如圖

5.57)

，以瞭解底部溝槽結構引發之速度場對濃度分佈之影響。從速度、流線及濃度分

佈圖

(

如圖

5.58)

之變化，發現因底部人字型溝槽結構的變化，在截面

A~E

，流場大致可分為兩區，在左邊

1/3

的區域，下方溝槽之流體由右向左流動並撞擊壁面翻轉向上，形成一順時針方向流場，而在右方

2/3

區域，則是形成一逆時針方向流動之流場，整個截面流場型態可說是由兩個反向旋轉流動之流場所構成，在橫向截面

1/3

處

(y=0.67d)

，兩區域流體撞擊在此介面，流體由上而下流動，如同

splitting

的效果。截面

F~J

為底部溝槽外型轉變之區域，觀察截面

F

，在

y=0.8d

的介面處，流場原先由上往下流動的型態轉變為由下往上流動，流體撞擊介面產生

splitting

現象由原來截面

1/3

處轉移至

2/3

處，後續截面

L~O

，流場則

轉變成為左大

(

順時針旋轉區域

)

右小

(

逆時針旋轉區域

)

的型態，再觀察各截面之濃度分佈情形，因底部非對稱之人字溝槽結構，可以使左半邊之流體進入溝槽與右半邊流體混合，當人字形外型改變，又可使右半邊之流體由溝槽進入左半邊進行混合。

SHM

結構產生之兩個流場區域大小相互交換的二次流場，可增加兩流體間之分子擴散，而底部型態變換瞬間亦會產生撞擊介面位置的改變，增加混合效果。

2.

週期截面濃度及質點分佈

由圖

5.59

各截面濃度分佈圖得知（截面位置參考圖

5.12

），濃度分佈狀態與

SRM

結構明顯不同，因底面人字形結構構成一對左右旋轉方向相反之二次流場，並因為每經半週期之溝槽型態改變，造成左右兩邊之流體相互交換流動，有效提升混合效率，然而，管道中心部分可以發現明顯之的非混合區形成。另從質點之截面分佈圖觀察（如圖

5.60

所示），隨著週期之增加，使得條紋寬度愈來愈窄，因此擴散時間縮短，

混合效率因而上升，但在管道中心區域，與濃度分佈圖相同，質點無法有效分散，形成不易混合之區域。

5.5.2 OBSHM

混合器混合效能分析

1.

網格結構

如圖

5.61

、

5.62

所示，第一個計算網格之總格點數為

309120

，週期性網格格點數共

257280

。

1.

流場特性

在

SHM

混合器中，於管道中加入傾斜阻塊形成

OBSHM

混合器，

選取截面

A~S

位置

(

如圖

5-63

所示

)

，因阻塊之加入，使得各截面之流場及濃度分佈

(

如圖

5.64)

，已不同於

SHM

。在截面

A

上，因下游斜塊阻擋，流體因慣性產生橫向對流，流體由左向右流動，而截面

B

在左邊三分之一部分（阻塊上游區）已不受底部溝槽的影響，流體由由上往下翻轉進入溝槽，其餘主要還是由左向右流動，截面

C

的流場與截面

B

相似，截面

D~E

，流體大都沿某介面產生向左右之分離流場，介面之位置隨不同截面而異，在截面

F

與

G

上，因慣性流體從原先由左向右轉變成為由右向左流動，截面

J~M

為溝槽外型轉變的區域，但流場型態已不同於

SHM

，後續

(

截面

M~S)

受到斜阻塊與溝槽的影響，流場明顯與之前不同，觀察濃度變化情形，在兩流體介面間擴散反應相當快速，達成完全混合區域範圍愈來愈大。在

xy

平面觀察速度及濃度分佈狀況（如圖

5.65

），因流體受傾斜阻塊阻塊影響，使其在

y

方向產

生劇烈變化，從濃度分佈顯示，流體介面呈現連續彎曲現象，使得介面因而拉伸延長，變化遠大於

SHM

結構，而兩旁阻塊造成流體產生擠壓效應，縮短擴散距離，促使分子擴散加速進行。

2.

週期截面濃度及質點分佈

在濃度分佈（圖

5.66

）與質點分佈（圖

5.67

）中，因主流道中傾斜阻塊之存在，使得分佈狀態與

SHM

結構完全不同，原本

SHM

結構管道中心之非混合區已不存在，從質點分佈圖看來，質點運動軌跡呈現非常不規則運動，到最後帶狀區域幾乎消失。

3. SHM

混合器與

OBSHM

混合器混合效能比較

依據

2.11

式混合效率指數可得到沿

x

方向之混合效率，由圖

5.68

可明

顯看出，

OBSHM

混合器混合效果優於

SHM

混合器。

5.6 SRM

、

DSRM

、

SHM

及

OBSRM

流線軌跡探討

分別觀察圖

5.69~

圖

5.72

，可以清楚發現，在

SHM

及

DSHM

混合

器中，質點軌跡較為規律，但

DSHM

之螺距（旋轉一圈

x

方向所走的距離）明顯比

SHM

短，另在

SHM

混合器，質點軌跡已較呈現不規律分佈，已有類似混沌的現象，而在

OBSHM

中，質點軌跡更是紊亂不規則，此種層流中的紊亂現象，可使粒子移動變化迅速而無規則性，

可加速流體間之擴散，這也是造成

OBSHM

混合效率優於

SHM

主要原因之ㄧ。

第六章結論

1.

混合器之底部傾斜溝槽結構，可使流體產生橫向（與主流方向垂直）

速度，造成二次流流場，其可拉伸並扭曲流體介面，增加粒子間的擴

散。

2.

人字形混合器因具有一長一短相互垂直之溝槽外型，可產生一對旋轉方向相反之旋轉流場，而直型傾斜溝槽只具單一傾斜溝槽外型，只能產生單一旋轉流場，流體介面間之扭曲變化遠小於人字形結構，再加上人字形具非對稱之溝槽相互變換，流體經由溝槽相互對流，更加速其混合。

3.

混合器之幾何外型結構不同，將影響混合器之混合效能，由本篇之模擬結果，較深的溝槽深度、較寬的溝槽寬度、

45°

溝槽傾斜角度將使混合效果提升。

4.

以渦度強度之觀點，隨著溝槽深度加深、溝槽之寬度增加，則在

x

方向之渦度強度也就愈強，因此渦度愈強，可增進其混合性能。

5.

直型雙傾斜溝槽混合器之混合效率，因比單傾斜溝槽多了上壁面之溝槽結構，可增加一旋轉方向相反之二次流場，因此可提升傾斜溝槽混合器之混合效率。

6.

在單傾斜溝槽混合器上壁面增加傾斜角度相同且與下溝槽交錯排列之溝槽雖可增加混合效率，但混合結果仍不及加寬溝槽寬度所得到的混合效果佳。

7.於流道中至入傾斜阻塊，可增加橫向對流效應，並可造成流體擠壓效果，縮短擴散路徑，因此提升混合效率。

8.

本篇討論之四種混合器型態，

OBSHM

結構在經過第一週期後，即可得到不錯的混合效果（混合指數已低於

0.2

），而其餘三種結構之混合指數則是隨著週期增加而慢慢遞減，因此，在低雷諾數及有限的混合

路徑下，

OBSHM

應是最佳的選擇。

參考文獻

[1]H.A. Stone, A.D. Srtoock and A. Ajdari, ”Engineering flow in small devices:

microfluidics toward a lab-on-a-chip” , Annual Reviews of Fluid Mechanics, Vol.36, pp.381-411, 2004.

[2]S. Hardt, A K. S. Drese, V. Hessel , F. Schönfeld,”Passive micromixers for

applications in the microreactor and µTAS fields”, Microfluidics and Nanofluidics, Vol.1,No.2, pp.108-118, 2005.

[3]A.D. Stroock, S.K.W. Dertinger, A. Ajdari , I.Mezic, H.A. Stone, G.M. Whitesides,

“Chaotic mixer for microchannels”, Science , Vol.295, pp.647-651, 2002.

[4] Y.Z. Liu, B.J. Lim, H.J. Sung, ” Two-fluid mixing in a microchannel”, International Journal of Heat and Fluid, Vol.25, pp.986-995, 2004.

[5] H. Wang, P. Iovenitti, E. Harvey and S. Massood, ” Numerical investigation of mixing in microhcannels with patterned grooves”, Journal of Micromechanics and Microengineering, Vol.13, pp.801-808, 2003.

[6]D.Gobby, P. Angeli, A.Gavriilidis,” Mixing characteristic of T Type microfluidic mixer”, Journal of Micromechanics and Microengineering, Vol.11, pp.126-132, 2001.

[7] M. Engler, N. Kockmann, T. Kiefer, P. Woias, ”Numerical and experimental

investigations on liquid mixing in static micromixers”, Chemical Engineer Journal, Vol.101, pp.315-322, 2004.

[8]R.H. Liu, M.A. Stremler, K.V. Sharp, M.G. Olsen, J.G. Santiago, R.J. Adrian, H. Aref, and D.J. Beebe, ”Passive mixing in a three-dimensional serpentine microchannel”, Journal of Microelectromechanical System, Vol.9, No.2, pp.190-197, 2000.

[9]F. Schönfeld, S. Hardt, ”Simulation of helical flows in microchannels”, American Institute of Chemical Engineers. AIChE Journal, Vol.50, pp.771-778, 2004.

[10] D.S. Kim, S.W. Lee, T.H. Kwon, and S.S. Lee, ”A barrier embedded chaotic micromixer”, Journal of Micromechanics and Microengineering ”, Vol.14, pp.798-805, 2004.

[11] J.H. Tsia and L. Lin,”Active Microfluidic Mixer and Gas Bubble Flilter Driven by hermal Chambers”, Sensor and Actuators A(physical), Vol.97-98, pp.665-671, 2002.

[12] Y. Tang, J. Wu, E. Czyzewska, K. Stanley, ” An optimized micromixer with

patterned Groove , “ International Conference on MEMS,NANO and Smart System, 2004.

[13] S.J. Park, J.K. Kim, Junha Park, S. Chung, C. Chung and J.K. Chang, ”Rapid three-dimensional passive rotation micromixer using the breakup process”, Journal

在文檔中凹槽結構管道微混合器流場分析 (頁 50-0)

第五章 結果與討論

5.3 DSRM 混合器混合效能分析與探討

5.3.1

5.47

5.48

327150

248400

5.3.2

13

A~M

5.49

5.50

DSRM

SRM

5.3.3

5.11

5.51

SRM

5.52

3.11

SRM

5.53

DSRM

5.4

G

=0.6d

G

=1d

θ=45°

5.54

SRM

0.005

5.5

SHM

OBSHM

5.5.1

SHM

1.

5.55

5.56

347520

295680

1.

SHM

15

(

5.57)

(

5.58)

A~E

1/3

2/3

1/3

(y=0.67d)

splitting

F~J

F

y=0.8d

splitting

1/3

2/3

L~O

(

)

(

)

SHM

2.

5.59

5.12

SRM

5.60

5.5.2 OBSHM

1.

5.61

5.62

309120

257280

1.

第五章結果與討論

第六章結論