- 文献综述（或调研报告）：
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微混合器技术原理
- 微混合概述
在微流体系统中，经常涉及到流体的扩散和混合问题,有效地控制扩散和混合对化学分析和生物分析的速度和效率的提高，对微流体器件的设计和制造具有十分重要的意义。微混合技术具有很强的传热、传质能力，可大幅度提高反应过程中资源和能量的利用效率，减小过程系统的体积或提高单位体积的生产能力，实现化工过程强化、微型化和绿色化[1]。微流体混合器属于微机电系统的研究范畴，是一种可以在微尺度条件下实现流体流动、混合的装置，根据不同使用场合及功能需要。它不仅可以在传统的生物化学分析领域实现多种试剂的快速混合、反应，充当反应器和混合器，还可以应用在微燃烧器等能源系统中也发挥重要作用[2]。微混合器其功能可以实现流体间快速、均匀混合，而且混合体积小，具有常规混合技术无法达到的技术优势。传统混合过程依赖于层流混合和湍流混合，但是在微混合系统中，由于通道特征尺度在微米级(一般为10～500micro;m)，雷诺数远小于2000，流动多呈层流[3]，因此微流体混合过程主要基于层流混合机制，依靠扩散以及混沌对流来实现实现目的。
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- 微混合原理
微混合系统中，涉及的基本混合机理如下[4]：（1）层流剪切，在微混合器内引入二次流,流动的截面上不同流线之间产生相对运动，引起流体微元变形、拉伸继而折叠，以此增大流体间的界面。（2）延伸流动，由于流动通道几何形状的改变或者流体的流动被加速，产生延伸效应，进而改进混合质量。（3）分布混合，在微混合器内集成静态混合元件，通过流体的分割重排再结合效应，减小流层厚度，并且增大流体间的界面。（4）分子扩散，分子水平均匀混合的必经之路，由于微通道当量直径可以达到几个微米，当待混合流体处于同一微通道内时,导致分子扩散路径大大缩短，仅依靠分子扩散便可以实现在极短时间内的均匀混合。
目前，微混合的关键参数[5]是贝克来数Pe和雷诺数Re。
式中：，和分别为流场的特征速度、特征长度和流体黏度[6]。在微尺度范围，微通道中流体Re很小（Re为0.1~100），微混合器中的流体状态主要为层流状态。Pe表征了由对流引起的质量传递和由扩散引起的的质量传递之比。
式中：Ｄ为粒子扩中散系数[6]。随着微混合器整体尺寸的减小,Pe也随之减小，输运量中对流输运的比例减少，扩散输运的比例增大。通过上述关键参数分析，层流状态下，微混合器中流体主要混合方式为分子扩散。分子扩散特性可由Fick定律[7]表征为：
式中：Ｊ表示扩散通量；Delta;ｃ为扩散方向上的浓度梯度。因扩散系数为定值，故通过增大流体接触界面面积，可以提高混合浓度梯度，增强流体混合效果。而粒子扩散距离Ｈ所需要的时间，由此可知，扩散时散距离的平方呈正比，故通过缩短流体扩散距离，可以缩短流体混合时间，提高混合效率。综上所述，提高微混合器的混合性能，关键就在于流体接触面积S和扩散距离H。
- 微混合器分类
目前，微混合器根据是否借助外界输入能量以完成混合，可以分为两大类：主动式和被动式微混合器，如图1所示[8]。
