錯(cuò)位碰撞型微混合器混合性能的模擬分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)

趙曦，馬浩然，李平，黃愛玲

（寧夏大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，省部共建煤炭高效利用與綠色化工國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，寧夏 銀川 750021）

作為微流控技術(shù)的重要應(yīng)用，微混合器已廣泛應(yīng)用于工程[1]、生物技術(shù)[2]和醫(yī)學(xué)[3]等領(lǐng)域。在過(guò)去的20 年里，微混合器以其低制造成本、高比表面積[4]和快速響應(yīng)時(shí)間[5]在生物和化學(xué)過(guò)程[6-7]、可再生能源和制藥工業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域引起了廣泛關(guān)注。微混合器內(nèi)主要由分子擴(kuò)散（分子在流體中的轉(zhuǎn)移和運(yùn)動(dòng)）引導(dǎo)混合，這是一個(gè)耗時(shí)的過(guò)程[8]。根據(jù)工作機(jī)理，微混合器可分為主動(dòng)式微混合器和被動(dòng)式微混合器兩種。有源微混合器是一種需要外部能源的微混合器，如磁力、超聲波、介電電泳（當(dāng)非均勻電場(chǎng)施加在介電顆粒上時(shí)，其會(huì)受到力）等，以干擾流動(dòng)[9-10]，這些微混合器難以制造且昂貴。而被動(dòng)式微混合器是不需要任何外部能量輸入的微混合器，只需要流體泵和壓降來(lái)驅(qū)動(dòng)流動(dòng)，這是通過(guò)改變幾何形狀或在流體流動(dòng)路徑中設(shè)置障礙來(lái)實(shí)現(xiàn)的[11-12]，目的是在微通道局部產(chǎn)生二次流強(qiáng)化混合[13]。被動(dòng)微混合器分為障礙物型、匯聚-發(fā)散型、分離重組型、混沌-對(duì)流型、曲線通道型[14]和錯(cuò)位碰撞型。障礙物式微混合器是指在流道中設(shè)置障礙物，擾亂流場(chǎng)，產(chǎn)生混沌對(duì)流，以提高微混合器的混合效率[15-17]。匯聚-發(fā)散微混合器利用橫截面積的快速變化來(lái)拉伸和壓縮流體，這會(huì)干擾流線并增加流體的接觸面積[14,18-19]。分離重組結(jié)構(gòu)微混合器通過(guò)改變流體流向使其產(chǎn)生混沌對(duì)流，增加兩相接觸面積[20-21]。彎曲微混合器的主要特點(diǎn)是它們?cè)诟呃字Z數(shù)下混合效果表現(xiàn)良好。此外，隨著流速的增加，流體的慣性力不斷增強(qiáng)，產(chǎn)生離心傾向，導(dǎo)致流道內(nèi)出現(xiàn)橫向二次流（迪恩流）強(qiáng)化混合[22-25]。

Ahmadi等[15]在彎曲型微混合器中加入擋板，流體流過(guò)擋板時(shí)產(chǎn)生混沌對(duì)流，使流體混合得到增強(qiáng)。Lyu等[16]設(shè)計(jì)了一種具有康托分形擋板的微混合器，研究了擋板高度h、擋板距離P、微流道寬度L、微流道高度H對(duì)微混合器混合性能的影響。Agarwal等[17]在T型微混合器內(nèi)加入擴(kuò)壓板，研究了不同排列的擴(kuò)壓板對(duì)混合的影響。Jiang等[14]對(duì)帶障礙物的變半徑螺旋微混合器在不同雷諾數(shù)下進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)帶障礙物的變半徑螺旋微混合器只能在高雷諾數(shù)條件下提高混合效率。Mehrdel等[19]對(duì)有膨脹區(qū)域的微混合器和沒有膨脹區(qū)域的微混合器進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)流體流過(guò)膨脹區(qū)域時(shí)流線發(fā)生改變，流線對(duì)混合性能產(chǎn)生了影響。Zou等[20]基于非平衡對(duì)撞結(jié)構(gòu)對(duì)傳統(tǒng)特斯拉微混合器進(jìn)行改進(jìn)，將傳統(tǒng)特斯拉微混合器在Re=0.5～10的范圍內(nèi)，混合效率提高了20%左右。Aghasi 等[21]設(shè)計(jì)了6 種基于分裂和重組結(jié)構(gòu)的微混合器，在低雷諾數(shù)下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)增加碰撞結(jié)構(gòu)數(shù)量對(duì)混合性能有明顯影響。Tripathi等[24]研究了微混合器中流道長(zhǎng)寬比對(duì)混合性能的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)流道長(zhǎng)寬比對(duì)混合性能的影響明顯，其中流道寬度的影響比流道深度對(duì)混合性能的影響明顯。Fernández-Maza等[25]研究了彎曲型微混合器，發(fā)現(xiàn)曲率半徑減小，促進(jìn)了渦流的形成，而渦流的形成促進(jìn)了混合。Sinha等[23]在微混合器中設(shè)置錯(cuò)位碰撞結(jié)構(gòu)，并與沒有錯(cuò)位碰撞結(jié)構(gòu)的微混合器進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)在中低雷諾數(shù)下混合強(qiáng)度顯著提高。Tokas等[26]在設(shè)置錯(cuò)位碰撞結(jié)構(gòu)的微混合器和沒有設(shè)置錯(cuò)位碰撞結(jié)構(gòu)的微混合器中通入非牛頓流體，比較在兩種微混合器中的混合性能，發(fā)現(xiàn)質(zhì)量流量在m=0.000 05kg/h 時(shí)T 型比三維螺旋型之間的混合效率差異為62.5%。質(zhì)量流量在m=0.09kg/h時(shí)三維螺旋型混合器的混合效率依然高于T型混合器。

基于以上對(duì)多種微混合器的研究，本文提出了一種錯(cuò)位碰撞型微混合器，通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)其混合指數(shù)、壓降及混合效果等進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，探索兩種不同流體的多相流混合性能和流動(dòng)狀態(tài)，進(jìn)一步優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并與其他已報(bào)道的微混合器進(jìn)行混合效果對(duì)比。本研究可以為受多因素影響的微通道內(nèi)流體混合裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供一種有效的分析方法。

1 物理模型

針對(duì)圖1所示微混合器建立3D模型，對(duì)結(jié)構(gòu)尺寸不同時(shí)兩種流體的混合和傳質(zhì)過(guò)程進(jìn)行模擬分析。每個(gè)微混合器都有一個(gè)寬W1、高W2的矩形通道，兩種不同的液體分別從兩個(gè)入口流入。入口長(zhǎng)度為4mm，初始和最終直線長(zhǎng)度分別為2mm 和1mm。選擇常見的乙醇和水作為兩種入口流體（流體特性見表1），質(zhì)量擴(kuò)散率為1.2×10-9m2/s，乙醇和水分別從入口1和入口2等速進(jìn)入。流體濃度以乙醇計(jì)，因此入口1的質(zhì)量分?jǐn)?shù)記為1，入口2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)記為0，兩種流體流入通道后，混合流體濃度由高濃度向低濃度擴(kuò)散，通道截面積為0.04mm2，流速為0.5015m/s，水相入口雷諾數(shù)為100，保持不變。

圖1 微混合器表1 20℃時(shí)流體的性質(zhì)

2 模型建立

2.1 控制方程

在研究中使用Ansys/Fluent 軟件對(duì)微通道混合器內(nèi)流體流動(dòng)狀況進(jìn)行三維模擬，兩種流體（水和乙醇）均被看作穩(wěn)態(tài)、層流、不可壓縮、等溫的牛頓流體。因此，使用單一的速度、壓力等對(duì)流體的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行建模。質(zhì)量、動(dòng)量和組分輸運(yùn)的控制方程如式(1)～式(5)[27]。

流體水乙醇混合物黏度/kg·m-1·s-1 1.003×10-3 1.200×10-3 2.890×10-3擴(kuò)散系數(shù)/m2·s-1密度/kg·m-3 9.98×102 7.90×102—— —1.2×10-9

連續(xù)性方程如式(1)。

質(zhì)量分?jǐn)?shù)方程如式(4)。

式中，ui、p、τij、D和C分別是速度矢量、壓力、應(yīng)力張量、二元擴(kuò)散系數(shù)和乙醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。注意，μ是假設(shè)為常數(shù)的混合物黏度，ρ是使用體積加權(quán)混合定律計(jì)算的混合物密度在通道壁面處，應(yīng)用無(wú)滑移邊界條件。選擇速度入口和壓力出口，出口處考慮零靜壓。在入口處規(guī)定了均勻的速度。兩個(gè)入口的乙醇和水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為(1,0)和(0,1)。

混合強(qiáng)度是通過(guò)某一截面上某一組分在所有計(jì)算節(jié)點(diǎn)上的質(zhì)量分?jǐn)?shù)或濃度方差進(jìn)行計(jì)算得到的，常用來(lái)表征宏觀混合，其計(jì)算如式(6)～式(8)[28-29]。

式中，N為網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)；Ci為各計(jì)算節(jié)點(diǎn)i上某組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)或摩爾分?jǐn)?shù)；Cˉm為截面上各計(jì)算節(jié)點(diǎn)i上的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)或摩爾分?jǐn)?shù)；σ2為質(zhì)量分?jǐn)?shù)或摩爾分?jǐn)?shù)的方差；σ2max為質(zhì)量分?jǐn)?shù)或摩爾分?jǐn)?shù)的最大方差；M為混合強(qiáng)度。若物料混合均勻，此時(shí)Ci=Cˉm=0.5，則混合強(qiáng)度M=100%，M數(shù)值越大，混合強(qiáng)度越大。

需要注意的是，混合指數(shù)和壓降不能獨(dú)立地作為選擇高效微混合器的決定因素，相反，這兩個(gè)因素應(yīng)該一起分析。因此，為了預(yù)測(cè)混合指數(shù)和壓降的組合效應(yīng)，混合效率（Mp）計(jì)算如式(9)[30]。

式中，Δp*量綱為1壓降，由式(10)給出。

式中，Δp為微混合器入口和出口之間的壓降。它是通過(guò)取微混合器入口和出口靜壓的面積加權(quán)平均值之間的差值來(lái)計(jì)算的。

2.2 結(jié)構(gòu)尺寸不同的微混合器

通道截面積保持0.04mm2不變，分別考察通道內(nèi)流體碰撞處的通道寬高比、通道內(nèi)發(fā)散處最大寬度、錯(cuò)位高度對(duì)出口處混合效率的影響。結(jié)構(gòu)尺寸不同的微混合器見表2。

表2 結(jié)構(gòu)尺寸不同的微混合器

2.3 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

為了節(jié)省計(jì)算時(shí)間，并保證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，對(duì)微混合器進(jìn)行網(wǎng)格獨(dú)立性測(cè)試。微混合器流體計(jì)算域采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格長(zhǎng)寬比大于0.32，最小角大于33，網(wǎng)格質(zhì)量均在0.56以上，分別測(cè)試了網(wǎng)格數(shù)量為725330、1304842、2370836、3531330、5478284 的模型，最大網(wǎng)格尺寸依次為16μm、13.5μm、10.5μm、9.3μm、8μm。由圖2可以看出，微混合器出口處水平中心線上的速度大小及分布基本一致。

圖2 不同網(wǎng)格數(shù)下的出口水平中心線速度分布

圖3 考察了不同網(wǎng)格數(shù)下微混合器的XY平面上的濃度、速度和壓力云圖。圖3(a)的網(wǎng)格數(shù)為1304842，圖3(b)的網(wǎng)格數(shù)為2370836，圖3(c)的網(wǎng)格數(shù)為3531330，可以看到，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)大于2370836后，濃度云圖、速度云圖和最大壓力幾乎保持不變，表明繼續(xù)增加網(wǎng)格數(shù)量對(duì)模擬結(jié)果的影響可以忽略不計(jì)。故采用網(wǎng)格數(shù)為2370836用于數(shù)值研究。

圖3 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性測(cè)試

2.4 模型驗(yàn)證

為進(jìn)一步驗(yàn)證本研究數(shù)值模型的準(zhǔn)確性，將本研究的模擬結(jié)果與Zhang 等[31]的工作進(jìn)行比較，如圖4 所示，出口流速分布的模擬結(jié)果與Zhang 等的研究結(jié)果非常吻合。當(dāng)流速達(dá)到最大流速時(shí)，結(jié)果之間的誤差小于1%。本文模擬所用模型參數(shù)與Tripathi 等[24]的相同，對(duì)比流體在微混合器轉(zhuǎn)彎處的濃度分布，模擬結(jié)果相似（圖5），說(shuō)明本研究所選用模型準(zhǔn)確。

圖4 數(shù)值模型的驗(yàn)證

圖5 模型驗(yàn)證

3 結(jié)果與討論

3.1 模擬結(jié)果分析

3.1.1 通道寬高比對(duì)混合效果的影響

如圖6(a)所示，在探討通道寬高比對(duì)混合效率的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，隨著寬高比中寬所占比例增大，混合效率出現(xiàn)最大值，但隨著寬高比中寬所占比例繼續(xù)增加，混合效率逐漸降低，在寬高比1∶1 時(shí)混合效率出現(xiàn)了最大值，寬高比3∶1時(shí)出現(xiàn)最小值，而且寬度變化的影響大于深度變化的影響，這主要是受到混合指數(shù)的影響，而與壓降的關(guān)系不大。從表3中可以看到，寬高比的不同會(huì)影響出口處的濃度分布，高濃度和低濃度的位置也發(fā)生了變化，寬高比1∶3、1∶2、1∶1 與2∶1、3∶1 相比呈現(xiàn)出曲線型的濃度梯度，混合接觸面較大，而且寬高比1∶3、1∶2、1∶1 具有更多的混合較好的區(qū)域，這種濃度的獨(dú)特分布具有更大的混合效率[3]。從表4 中可以看到，在寬高比1∶3 時(shí)混合指數(shù)為0.120 10，而在寬高比3∶1時(shí)混合指數(shù)只有0.02716，寬高比3∶1 時(shí)混合指數(shù)明顯更差。這說(shuō)明與高度相比，寬度越小混合程度更高。所以在通道內(nèi)流體碰撞處錯(cuò)位高度為0、通道內(nèi)發(fā)散處最大寬度為0 的條件下，寬高比1∶1 時(shí)混合效率出現(xiàn)了最大值，最佳寬高比為1∶1。

表4 模擬結(jié)果

圖6 混合效率隨各因素改變的變化趨勢(shì)

3.1.2 通道發(fā)散處寬度對(duì)混合效果的影響

圖7說(shuō)明了通過(guò)增大通道發(fā)散處最大寬度將增加混合器沿通道的混合長(zhǎng)度（擴(kuò)散表面，見圖7綠色線）。數(shù)值模擬（圖8）表明，由于流動(dòng)為層流，流線沿剖面擴(kuò)展，因此擴(kuò)散面增加[19]通道壁的曲率會(huì)影響相鄰的流動(dòng)。通道壁的曲率會(huì)影響相鄰的流動(dòng)，由于微混合器的小尺寸，不應(yīng)忽略流動(dòng)方向和大小的任何變化。如圖7紅框內(nèi)所示，與直通道相比，增大通道發(fā)散處最大寬度，混合器的混合長(zhǎng)度增加，通道發(fā)散處最大寬度為0.5mm時(shí)，微混合器的混合長(zhǎng)度增加15.6%（單個(gè)膨脹結(jié)構(gòu)），混合效率整體上增加5.5%；通道發(fā)散處最大寬度為0.8mm時(shí)，微混合器的混合長(zhǎng)度增加45%（單個(gè)膨脹結(jié)構(gòu)），混合效率整體上增加7.6%；通道發(fā)散處最大寬度為1.1mm 時(shí)，微混合器的混合長(zhǎng)度增加94.8%（單個(gè)膨脹結(jié)構(gòu)），混合效率整體上增加8.3%；通道發(fā)散處最大寬度為1.4mm 時(shí)，微混合器的混合長(zhǎng)度增加156%（單個(gè)膨脹結(jié)構(gòu)），混合效率整體上增加8.6%。如圖6(b)所示，隨著通道發(fā)散處最大寬度的增大，混合長(zhǎng)度增加，相應(yīng)的混合效率得到提高，但是隨著通道發(fā)散處最大寬度的繼續(xù)增大，混合效率的增加開始變得緩慢，直到混合效率無(wú)明顯增大，這是由于在增大通道發(fā)散處最大寬度的同時(shí)，通道增大處位置壓降會(huì)降低，這會(huì)導(dǎo)致流體之間的接觸變差，通道發(fā)散處最大寬度繼續(xù)增大，通道增大處位置壓降持續(xù)降低，直到通道增大處位置壓降無(wú)明顯變化，此時(shí)，混合效率的增加只與所增加的混合長(zhǎng)度相關(guān)，所以混合效率增加緩慢。由于通道發(fā)散處最大寬度大于0.45mm 之后，混合效率增加不明顯，所以發(fā)散處最大寬度最大取到0.45mm。

圖7 微混合器幾何中心線和混合長(zhǎng)度線

圖8 模擬從入口1注入乙醇、入口2注入水在流速0.50m/s的情況下的混合

3.1.3 錯(cuò)位高度對(duì)混合效果的影響

如圖6(c)所示，在探討通道內(nèi)流體碰撞處錯(cuò)位高度對(duì)混合效率的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，隨著錯(cuò)位高度的提高，混合效率出現(xiàn)最大值，但隨著錯(cuò)位高度的繼續(xù)增高，混合效率開始降低，在通道寬高比1∶1、通道發(fā)散處最大寬度0.6mm 的條件下，錯(cuò)位高度0.4mm時(shí)，在出口處獲得最高的混合效率。為了了解為什么會(huì)出現(xiàn)混合效率先增加后降低這一結(jié)果，在不同錯(cuò)位高度的微混合器中取了3個(gè)截面，來(lái)說(shuō)明這一情況，如圖9所示，可以看到當(dāng)錯(cuò)位高度大于0時(shí)，混合效果明顯提升，這是因?yàn)檫@種錯(cuò)位結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)會(huì)在碰撞處出現(xiàn)渦流，并且由于錯(cuò)位結(jié)構(gòu)的三維曲率，使得產(chǎn)生離心力，二次流現(xiàn)在占主導(dǎo)地位。二次流通常在三維曲面周圍形成。二次流垂直于流體流動(dòng)的主方向。這引入了混沌對(duì)流，增加了混合指數(shù)。從表5中可以看到隨著錯(cuò)位高度的提高，截面積變大，增加了兩相接觸面積，所以隨著錯(cuò)位高度的提高，混合效果越來(lái)越好，但是當(dāng)錯(cuò)位高度高于0.4mm時(shí)，截面積繼續(xù)變大，但是離心力開始變差，混沌對(duì)流現(xiàn)象變?nèi)?，?dǎo)致兩相接觸面積減小，所以混合效果開始變差。

表5 不同錯(cuò)位高度下，流體碰撞處乙醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)云圖

圖9 流體碰撞處截面

為了證明垂直混沌對(duì)流是否存在，模擬了錯(cuò)位碰撞處的垂直速度云圖，見表6。很明顯，除了靠近壁面的一小部分以外，截面1、截面2、截面3都有垂直流動(dòng)，其中錯(cuò)位高度0.4mm時(shí)，垂直流動(dòng)最為明顯，所以此時(shí)混合效率最高。垂直流是垂直于主流的二次流，垂直流引發(fā)了垂直混沌對(duì)流。

表6 不同錯(cuò)位高度下，流體碰撞處的垂直速度云圖

3.2 優(yōu)化微混合器

通過(guò)上述模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，流體碰撞處的錯(cuò)位高度對(duì)混合效率的影響最為明顯，正如Xia 等[32]的研究提出速度場(chǎng)和濃度場(chǎng)之間更好的協(xié)同作用導(dǎo)致傳質(zhì)增強(qiáng)，而流體碰撞處錯(cuò)位高度的引入能有效改變速度矢量與濃度梯度的協(xié)同程度。根據(jù)前面的模擬結(jié)果對(duì)微混合器進(jìn)行優(yōu)化，得到優(yōu)化后微混合器（MTT）如圖10(a)所示，在同樣長(zhǎng)度的基礎(chǔ)上，增加了一個(gè)碰撞結(jié)構(gòu)。通過(guò)增加一個(gè)碰撞結(jié)構(gòu)，可以獲得更大的混合效率。發(fā)散處最大寬度對(duì)出口處混合效率無(wú)明顯增長(zhǎng)，在設(shè)計(jì)新的微混合器時(shí)不再考慮這一因素。圖10(b)模擬所得最佳結(jié)構(gòu)微混合器（MST），圖10(c)為T型結(jié)構(gòu)微混合器（MT）。

圖10 3種微混合器

3.2.1 混合效果分析

圖11顯示了3種微混合器出口處水平中心線上的濃度分布，MTT與前面MST以及MT相比，水平中心線上的濃度分布更加接近0.5?？傮w而言，MTT的混合效果在水平中心線上優(yōu)于其他兩種結(jié)構(gòu)微混合器。

圖11 3種結(jié)構(gòu)微混合器出口橫截面水平中心線濃度分布

3種不同結(jié)構(gòu)的微混合器的濃度截面輪廓如圖12(a)～(c)所示。當(dāng)兩種不同的流體在通道交匯處碰撞時(shí)，有錯(cuò)位結(jié)構(gòu)的混合器表現(xiàn)為濃度等值線在xz平面變長(zhǎng)，然后兩種流體在xz平面形成漩渦狀的濃度等值線。這種現(xiàn)象結(jié)合圖12(d)揭示了整個(gè)流道混合效率提高的原因。

圖12 沿流動(dòng)通道的濃度分布

為了直觀地比較新型微混合器的混合效果，沿流道的混合效率如圖12(d)所示。沿y軸取相同y軸距離的截面，使用式(8)計(jì)算結(jié)果。從圖12中可以看到為什么錯(cuò)位結(jié)構(gòu)可以增強(qiáng)混合效果以及怎么增強(qiáng)混合效果的。圖12(d)中3條線中第1個(gè)點(diǎn)[代表圖12(a)～(c)中沿y軸第1 個(gè)截面]是3 種微混合器兩種流體第1次碰撞處的混合指數(shù)，不難發(fā)現(xiàn)，沒有錯(cuò)位結(jié)構(gòu)的微混合器（MT）混合指數(shù)高于有錯(cuò)位結(jié)構(gòu)的兩種微混合器。從圖12(d)中3條線中第2個(gè)點(diǎn)[代表圖12(a)～(c)中沿y軸第2個(gè)截面]可以看到，在通過(guò)第1個(gè)碰撞區(qū)域，流過(guò)一小段距離后，有錯(cuò)位結(jié)構(gòu)的兩種微混合器混合指數(shù)迅速提高，混合效果遠(yuǎn)高于沒有錯(cuò)位結(jié)構(gòu)的微混合器（MT），從圖12(a)、(b)中可以看到，流體在通過(guò)錯(cuò)位結(jié)構(gòu)，流過(guò)一段距離，流體呈現(xiàn)出旋渦狀的混合現(xiàn)象，而圖12(c)中沒有出現(xiàn)這種旋渦狀的混合現(xiàn)象，說(shuō)明旋渦狀的混合現(xiàn)象是由流體通過(guò)錯(cuò)位結(jié)構(gòu)造成的，這是由于流體在流過(guò)錯(cuò)位結(jié)構(gòu)后，會(huì)在橫向平面中產(chǎn)生二次流，使一種流體被拉入另一種流體，從而形成旋渦狀的混合現(xiàn)象，這種漩渦狀的混合現(xiàn)象極大增加了兩種流體的接觸面積，是增強(qiáng)混合的主要原因。但是這種旋渦狀的混合現(xiàn)象在兩種流體碰撞后，需要流體在流過(guò)一段距離后逐漸成型，所以兩種流體在錯(cuò)位結(jié)構(gòu)處剛碰撞的時(shí)候，由于流體沒有形成漩渦狀的混合現(xiàn)象，也沒有直接碰撞，混合效果反而不如沒有錯(cuò)位結(jié)構(gòu)的碰撞區(qū)域。從圖12(d)中3條線中第5個(gè)點(diǎn)[代表圖12(a)～(c)中沿y軸第5 個(gè)截面]可以看到，MST 混合指數(shù)高于MTT（沿y軸第5 個(gè)截面，MTT 出現(xiàn)錯(cuò)位結(jié)構(gòu)，MST 沒有出現(xiàn)錯(cuò)位結(jié)構(gòu)），在第6個(gè)點(diǎn)[代表圖12(a)～(c)中沿y軸第6個(gè)截面] MTT混合指數(shù)迅速提高，遠(yuǎn)高于MST混合指數(shù)，這同樣是由于流體在流過(guò)錯(cuò)位結(jié)構(gòu)后，會(huì)在橫向平面中產(chǎn)生二次流，使一種流體被拉入另一種流體，從而形成旋渦狀的混合現(xiàn)象，這種旋渦狀的混合現(xiàn)象增強(qiáng)了兩種流體間的混合。從出口上看，最佳混合結(jié)構(gòu)為MTT，其出口混合效率在80%以上。

3.2.2 壓力損失和流場(chǎng)分析

通道內(nèi)壓力變化曲線如圖13 所示。流體在通過(guò)碰撞區(qū)域后壓力會(huì)出現(xiàn)驟降，在通道擴(kuò)大區(qū)域壓力幾乎無(wú)變化，壓力沿流道整體呈線性下降。此外，MTT 出現(xiàn)最大壓降。與直通道相比，錯(cuò)位結(jié)構(gòu)和通道擴(kuò)散區(qū)域限制了流體在通道內(nèi)的流動(dòng)，從而提高了壓降。毫無(wú)疑問(wèn)，復(fù)雜的流動(dòng)結(jié)構(gòu)會(huì)影響混合效果，但大多數(shù)情況下存在更多的流動(dòng)損失。因此，結(jié)合壓力損失和混合指數(shù)的綜合評(píng)價(jià)可以較好地分析不同微混合器的優(yōu)越性。

圖13 沿流動(dòng)通道的壓力分布

在圖14 中，流線的顏色表示濃度大小，渦旋箭頭的顏色表示截面處的速度大小。濃度等值線受流線影響。3種結(jié)構(gòu)微混合器的流線狀況和渦流分布揭示了導(dǎo)致4 種模型混合能力差異的主要原因。從3幅圖中可以看出，兩種流體在通過(guò)錯(cuò)位結(jié)構(gòu)碰撞區(qū)域時(shí)，會(huì)形成旋渦狀的交錯(cuò)現(xiàn)象，這是由于在橫向平面產(chǎn)生了二次流，一種流體被拉入另外一種流體，這種旋渦狀的混合現(xiàn)象增加混合接觸面的面積。在通道的擴(kuò)散區(qū)域，流線出現(xiàn)彎曲，這種流線的彎曲也可以增加混合接觸面的面積。這都有利于增強(qiáng)混合。

圖14 MTT、MST和MT的流場(chǎng)和渦流場(chǎng)

3.2.3 綜合評(píng)價(jià)

錯(cuò)位型微混合器可以提高流體的混合效率，但同時(shí)壓力損失增加。由圖15可以看出，3種不同微混合器在第1個(gè)流體碰撞處，沒有錯(cuò)位結(jié)構(gòu)的T型微混合器（MT）混合效率高于有錯(cuò)位結(jié)構(gòu)的其他兩種微混合器，即錯(cuò)位結(jié)構(gòu)在流體碰撞處混合效果沒有明顯增強(qiáng)，在流體流過(guò)錯(cuò)位結(jié)構(gòu)后，通道橫截面產(chǎn)生二次流，一種流體被拉入另外一種流體，形成旋渦狀的混合現(xiàn)象，增加了混合接觸面的面積來(lái)增強(qiáng)混合，所以在流體流過(guò)錯(cuò)位結(jié)構(gòu)后，混合效率迅速升高。在圖15 中，第6 個(gè)點(diǎn)可以看到，MTT混合效率超過(guò)MST，這是因?yàn)榇藭r(shí)MTT 內(nèi)流體在錯(cuò)位結(jié)構(gòu)處完成了第二次碰撞。在圖15 中，第10個(gè)點(diǎn)（也就是混合器出口處）可以看到MTT 和MST的混合效率都有所上升，這是因?yàn)檫@兩種微混合器內(nèi)流體在錯(cuò)位結(jié)構(gòu)處都完成了一次碰撞，但是MTT 內(nèi)流體在通過(guò)這次錯(cuò)位結(jié)構(gòu)之前已經(jīng)有了很高的混合效率，所以與MST 相比混合效率提高得并不明顯。整體上看，MTT混合效率更高。

圖15 不同微混合器的混合效率變化

3.3 錯(cuò)位型微混合器性能評(píng)價(jià)

Tripathi 等[24]的研究與本文使用的流體相同而且Tripathi 等研究的微混合器與錯(cuò)位型微混合器MTT 具有相同的通道寬高（寬高為0.2mm），在圖16中，將錯(cuò)位型微混合器MTT分別與Tripathi等研究的微混合器在相同通道長(zhǎng)度下進(jìn)行分析比較（Tripathi 等研究的SS 型和SE 型微混合器plane4 與錯(cuò)位型微混合器通道長(zhǎng)度基本相同，RS 型微混合器plane3與錯(cuò)位型微混合器通道長(zhǎng)度基本相同）。

圖16 MTT與Tripathi等[24]研究的混合器混合比較

從圖16 可以看到，低雷諾數(shù)時(shí)（Re＜10），混合由分子擴(kuò)散控制，與微混合器的構(gòu)型無(wú)關(guān)，混合程度隨停留時(shí)間的增加而增強(qiáng)，此時(shí)MTT 與Tripathi 等研究的3 種微混合器混合程度都很低。在雷諾數(shù)大于10 后，混合器的混合程度隨雷諾數(shù)的增加而增加，MTT 與Tripathi 等研究的3 種微混合器相比，MTT 在更小的雷諾數(shù)下，獲得了更好的混合，并且在高雷諾數(shù)下混合程度依然很高。

Mondal等[18]提出了浣熊形微混合器與蛇形微混合器，并對(duì)其混合性能進(jìn)行了研究。圖17 將MTT與Mondal 等提出的浣熊形微混合器與蛇形微混合器在Re=100時(shí)進(jìn)行分析比較。

圖17 Re=100時(shí)濃度云圖

從圖17 可以看到，通道內(nèi)流體在經(jīng)過(guò)碰撞區(qū)域后，在浣熊形微混合器與蛇形微混合器中，流體與流體之間有一條清晰的分界線，而在MTT 中，流體經(jīng)過(guò)錯(cuò)位碰撞區(qū)域后，出現(xiàn)多條流體與流體之間的分界線，多條流體與流體之間分界線的存在，增加了兩種流體的接觸面積。如圖17(a)截面1和截面2所示，流體與流體之間的多條分界線是由于流體在流過(guò)錯(cuò)位碰撞區(qū)域后，會(huì)形成旋渦狀的交錯(cuò)現(xiàn)象，這種旋渦狀的混合現(xiàn)象增加了混合接觸面的面積。

4 結(jié)論

對(duì)低雷諾數(shù)下微混合器的混合性能進(jìn)行了數(shù)值研究。分析了幾何結(jié)構(gòu)對(duì)壓降、混合指數(shù)、混合效率的影響。并對(duì)微混合器結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，得到以下結(jié)論。

（1）通過(guò)模擬分析，當(dāng)流體碰撞處錯(cuò)位高度為0.4mm、通道發(fā)散處寬度為0.6mm、通道寬高比為1∶1 時(shí)混合效果最好，并且發(fā)現(xiàn)通道發(fā)散處寬度變化對(duì)混合效率的影響不明顯。

（2）對(duì)微混合器結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)比了3種不同微混合器的混合效果，其中MTT 和MST 混合性能優(yōu)于T型結(jié)構(gòu)微混合器。優(yōu)化模擬所得最佳結(jié)構(gòu)微混合器表現(xiàn)出最大的混合能力，其出口處混合指數(shù)超過(guò)0.81，混合效率為4.86×10-3。

（3）模擬結(jié)果顯示，流體碰撞處錯(cuò)位結(jié)構(gòu)并沒有直接提高混合性能，而是流體在流過(guò)錯(cuò)位結(jié)構(gòu)后會(huì)在橫向平面中產(chǎn)生二次流，使一種流體被拉入另一種流體，從而形成旋渦狀的混合現(xiàn)象，這種漩渦狀的混合現(xiàn)象極大增加了兩種流體的接觸面積，從而增強(qiáng)混合性能。

（4）模擬結(jié)果顯示，Re≤10時(shí)，混合程度由分子擴(kuò)散控制，不受反應(yīng)器結(jié)構(gòu)影響，隨停留時(shí)間的增加而增強(qiáng)。與其他微混合器相比，兩種流體在通過(guò)MTT 型微混合器后擁有更大的接觸面積，所以其在較低雷諾數(shù)下或較高雷諾數(shù)下，MTT 型微混合器混合性能均更好。