交错人字形混合器凸凹槽改善微通道层流混合效率

微通道中的液体流很难混合形成层流，混合问题可以用低雷诺数方案很好地描述。在微通道中使用重复槽模式的交错人字形混合器( Staggered Herringbone Mixer, SHM)已被证明是一种有效的被动微混合器。然而，据我们所知，自从交错人字形混合器提出以来，到目前为止只使用了负模式。在本研究中，测试了负和正交错人字形混合器模式以及相反流动方向的混合效率，以研究微结构几何对周围层流的影响。正人字形模式比传统使用的负模式具有更好的混合效率。此外，通常使用的正向流动比反向流动具有更好的混合效率。在正向模式下，交错人字形混合器在正向和反向流动两个循环后完成混合。传统的负模式分别在正向和反向流动四个和五个循环后完成混合。对所有几何形状的混合效果进行了数值模拟，结果证实了正模式比负模式更有效的混合。这些结果可以进一步设计更有效的微流体混合器，以及深入了解自然界中存在的正模式和负模式对周围流体的影响。

微流控器件被定义为至少有一个尺寸小于一毫米的器件。微流控器件的主要应用是化学和生物分子的操纵和检测，如DNA、蛋白质和细胞，与食品、健康、药物筛选等有关。在这个微尺度分析器件中，由于层流的产生，混合是提高其性能的重要的特性之一，层流具有高动量扩散和低动量对流。层流是由微流控器件中的雷诺数低而解释的。因此，在微流控通道中很难实现混合；因此，各种微混合器已经开发出来。

微混合器通常分为主动和被动混合器。主动混合器依靠外部源，可以物理上搅动微通道中的液体，如声学或超声波声致动器，磁性颗粒和外部磁场的磁性扰动，流体的重复停止和流动的压力扰动等。另一方面，被动混合器不使用外部力，但主要依靠流体的水动力操纵，例如混沌平流，增强分子扩散，利用表面张力，流体分层，和连续分裂和结合的流体在微通道内。由于其简单的设计和制造，以及更高的混合效率，混沌平流是常用的被动混合器之一。混沌微混合器由嵌入微通道中来扰乱层流的几何形状组成。

有效的混沌微混合器之一是Stroock等人开发的交错人字形混合器(SHM)。SHM由微通道底部的槽的重复模式组成。每个槽由两个相互连接的不同长度的通道组成，一个相对较长，另一个相对较短，这两个槽以一定的角度相遇，通常为45度。这些槽在微通道内移动流体中产生螺旋运动。Ansari和Kim关注了关于槽深度和角度的SHM混合性能、简化和几何优化，他们发现混合受槽深度的影响大于槽角。数值模拟也支持了较深槽的SHM具有更高的混合效率。几个研究组已经数值地和实验地研究了混合效率，并开发了分析模型来表征SHM中的混合。当雷诺数在0 < NRe < 100范围内时，SHM显示出相对较高的混合效率，当NRe＞100时，混合效果在质量上保持不变。同时，SHM中由两个镜像长槽和短槽组成的两个反向旋转槽产生螺旋流的旋转运动来输送质量，因此，这组槽增强了混合。