针对生物、化学、医学、航空等领域混合输送微流体、微流体介质的需要, 提出了集流体混合、泵送为一体的复合阻流体无阀泵, 并借助复合阻流体致涡实现涡致混合功能。基于流体绕流原理对绕流阻力进行了全新诠释和表达; 并利用“尾流空间压强比较法”和“流体单元动量分析法”进行了绕流复合阻流体的阻力分析, 揭示了复合阻流体致阀及其本质性成因; 改变传统无阀泵的结构, 通过引入分流环和复合阻流体, 减少泵回流量的同时实现了涡致混合的功能。制作了泵样机, 在驱动频率为11 Hz、电压为180 V条件下进行了泵流量试验和流体混合试验, 其瞬时流量达到53.7 mL/min; 同时, 借助流体涡的运动较好地混合了流体, 试验验证了新型泵具有混合及泵送流体的功能。新型泵的提出创新和丰富了无阀泵的结构和功能, 为无阀泵应用于微流体混合传输领域奠定了基础。

提高微混合器雷诺数的适用范围和混合强度是微混合器设计的发展趋势。本文基于非对称分离重组混合原理设计、制作了一种3D-不对称菱形被动式微混合器, 并借助数值分析方法和可视化实验对混合强度和混合状态的变化进行了研究。研究发现: 在低Re(0.01~10)范围内, 两组分间的混合以扩散混合为主, 随着Re的增加, 流速对混合强度的影响有一定下降; 在较高Re(10~200)范围内, 受流速增加的影响, 流体间不平衡微流惯性碰撞逐渐成为影响混合的主要因素。此时, 混合强度随流速的增加逐渐增强并趋于平稳。对Re在0.01~200内的微混合器展开研究, 分析了宽缝比Ws/S、分合角θ、宽厚比H/S等结构尺寸对混合强度的影响。通过综合考虑流体混合强度和通道压降的变化情况, 确定最佳通道结构尺寸为Ws/S=0.2、θ=45°、H/S=0.5, 此时微混合器的混合强度可维持在78%以上。与传统平面对称分合式混合器相比, 设计制作的3D-不对称菱形被动式微混合器混合强度有较大的提高, 验证了本文设计结构的有效性。

针对目前微流体混合器多需要外接动力源, 且多数微混合器只能进行液体混合而不能输送液体的问题, 提出将无阀压电泵引入微混合器领域, 并研制了一种集混合与输送于一体的多级“Y”型流管无阀压电泵。首先, 提出了多级“Y”型流管, 进而设计了多级“Y”型流管无阀压电泵, 并分析其工作原理; 然后, 对该无阀压电泵的流管流阻特性及泵流量进行理论分析; 同时, 利用有限元软件对多级“Y”型流管无阀压电泵进行了流场模拟, 结果表明该压电泵具有单向传输作用。最后, 制作了多级“Y”型流管无阀压电泵样机, 并进行了泵流量与背压试验。试验结果显示: 驱动电压峰峰值为100 V, 频率为16 Hz时, 流量达到最大, 为16.2 ml/min; 驱动电压峰峰值为100 V, 频率为14 Hz时, 输出背压最大, 约为64 mm水柱。得到的试验数据证明了多级“Y”型流管无阀压电泵的有效性。