引言

微流控芯片是微型化、集成化的检测与分析器件，凭借其比表面积大、流体表面张力效果明显、节约试剂和安全性高等优点，广泛应用于生物分析、化工合成和临床测试等领域[1-6].生化反应顺利进行的前提是不同试剂之间的充分混合，设计具有较高混合强度的微混合器具有重要意义[3,7-8].微尺度下流体流动的典型特征是入口雷诺数Re非常低，流动状态通常为层流，分层流动造成混合困难且混合强度低，通过优化微混合器的结构，进而改变流体的流动状态成为实现微混合器高效混合的研究重点[8-11].

被动式微混合器通过优化设计微通道结构诱导产生对流，以打破流体层流状态，使流体间的接触面积增大，缩短分子扩散的距离，进而有助于提高混合强度.同时，其具有结构简单、运行稳定、易于集成等优势[3,9,12-15].目前，对于被动式微混合器的研究多集中在T型[4,16-19]、Y型[20-21]、锯齿型[20,22-25]以及方波型微混合器[20,24,26-28]中.

T型微混合器是结构最简单的被动式微混合器，其只有在高流速、高压下才能实现在短时间内流体的充分混合，满足不了绝大多数生化反应的要求[19].Mengeaud等[23]通过实验对一种Y型入口的锯齿型微混合器进行了研究，在相同雷诺数下，混合效果显著高于T型微混合器.Hossain等[24]评估了3种不同形状(方波型、多波型和锯齿型)微通道的混合效果，发现在所研究的雷诺数范围内方波型微混合器的混合强度相对较好.Chen等[25]通过实验和数值模拟的方法研究了6种不同通道形状(方波型、多波型、锯齿型、T型、口型和圆环型)的微混合器对混合性能的影响，发现方波型微混合器的混合强度最大.Chen等[26]通过数值模拟分析了方波型微混合器通道比和方波单元数对其混合性能的影响，发现通道比和方波单元数的增加有助于混合强度的提高.

为了进一步提高微混合器的混合强度，保证混合过程的安全性及生化反应结果的准确性，可以在微通道中加入不同类型的扩展腔.Johnson等[29]在T型微通道的底部布置了一系列平行矩形凹槽，发现在Re＜10的条件下，不同组分的流体完全混合时间小于1s.Alam等[30]设计了一种带有矩形腔的多波型微混合器，矩形腔的引入有效地促进了流体之间快速混合.同样地，陈方璐等[31]在Y型微通道上设计了多个呈反向分布规则排列的扩展腔，仿真和实验结果表明：该混合器在低流速(0.01µL/s)和高流速(7µL/s)下均可实现流体之间高效快速的混合，同时，在相同入口流速下混合强度远远高于同等尺寸下的Y型微混合器.

和是两种水解都呈现碱性的离子,而且都具有很强的还原性,按理说应该是可以大量共存的,但这两种离子具体能不能共存,不能一概而论,而应该看它们所处的具体环境,如果是碱性的溶液中是可以大量共存的。若是在酸性的环境下,体现出氧化性,S2-则体现出还原性,它们之间就要发生氧化还原反应而不能大量共存,反应的离子方程式如下:

方波型微混合器是研究较多且混合性能较好的被动式微混合器，在微通道中引入扩展腔可以有效地提高混合强度.在实际应用中，压降P是衡量其性能优异的一个重要参数，当P太大时，集成较为困难且容易对微混合器造成一定程度的损坏.目前，在优化微混合器结构时，综合考虑混合强度与压降两个因素的研究相对较少.有鉴于此，本文以方波型微混合器为基础，在其转折处引入扩展腔，设计了一种带扩展腔的新型方波型微混合器，实验和数值研究窄缝宽度、窄缝长度和扩展腔高度对其混合性能的影响，并确定最优结构参数.

1 几何模型

  

图1 带扩展腔的方波型微混合器示意图Fig.1 Schematic diagram of square-wave micro-mixer with extended cavity

采用混合强度评价微混合器混合性能[2,3,33-36].混合强度的计算公式如下

2 研究方法及可行性验证

2.1 数值模拟方法

在对微混合器模型进行三维数值模拟求解中，假设流体为不可压缩牛顿流体，流体流动为稳态、层流，壁面为无滑移，忽略重力对流动的影响.控制方程采用连续性方程、动量方程及组分浓度方程,分别表示如下

 

式中，V表示速度矢量，ρ为流体工质的密度，p为压力，µ为动力黏度，C为组分浓度，D为组分扩散系数，∇V为速度梯度.两个入口分别采用不同流体组分的去离子水作为流体工质，其扩散系数D=3.23×10−10m2/s[3,32]，其中流体工质密度ρ和动力黏度µ分别为998kg/m3和0.00097kg/(m·s)，两种不同流体组分的去离子水之间不发生化学反应，忽略溶解热效应.

此外，创新党建工作模式也十分必要。可通过“党员帮扶制度”、“党员先锋示范岗”、“党团共建“”等方式丰富工作形式。“党员帮扶制度”可以是高年级学生党员帮扶低年级同学，也可以是成绩好的学生党员帮扶成绩后进的同学，还可以是对家庭经济困难学生的帮扶等等。“党员帮扶”从实践中教育学生“为人民服务”。“党员先锋示范岗”可以从理工科学生专业出发，利用自己专业所学，从社会公益角度为解决校园及周边的社会需求贡献力量。“党团共建”则是利用团学丰富多彩的活动资源，因势利导打造品牌活动，使活动更有意义，也使组织更有向心力。

利用Fluent 16.0软件对微混合器内部的流体流动状态与混合性能进行三维数值仿真.微混合器两个入口(inlet)均采用速度入口，出口(outlet)为环境大气，采用压力出口边界条件.求解器采用SIMPLEC方法，三维双精度、非耦合隐式求解器进行求解，空间离散采用二阶迎风格式.

微尺度下流体混合的关键参数是雷诺数，雷诺数Re的计算公式如下

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为了保证计算结果的准确性，微混合器模型采用六面体结构化网格进行划分.对 wa=300µm,T=200µm的微混合器模型分别取75万、150万、215万的计算网格验证网格独立性.以300万网格为基准，取Re=40下的微混合器出口截面的M作衡量标准，所得仿真结果的最大误差分别3.1%,0.78%,0.06%.因此，本文微混合器模型选取的网格量为215万个.当各个变量间相对残差值小于10−8时，数值计算结果即被判定为收敛.

取h为50,100,150,200,250和300µm，在Re为0.1～60下进行数值模拟(w2=150µm，s=500µm)，得到M和P的结果分别如图9和图10所示.

对 w2=150µm，h=150µm 和 s=500µm 的微混合器进行实验和数值模拟，并计算得到Re在0.1～60下的M值，如图3所示.

由图11可知，两种微混合器的M均随着Re的增大先减小后增大，且均在Re=1时，M达到最小.随着Re继续增大，对流效应逐渐取代分子扩散成为混合的主导作用，通道内产生涡流，M逐步提高.Re在0.1～1时，方波型微混合器的M略高于带扩展腔的方波型微混合器，其中在Re=0.5时两者M最大差值约为2.5%.这是由于在此雷诺数阶段，混合主要基于分子扩散，而扩展腔的存在导致流体间的接触面积减小，致使带扩展腔的方波型微混合器的M略微下降.Re在5～60时，带扩展腔的方波型微混合器的M要明显高于方波型微混合器，其中在Re=20时两者M相差最多，可达12%.这是由于随着入口速度的增大，扩展腔内逐渐出现涡流，对流效应明显增强，因此带扩展腔的方波型微混合器的混合效果更好.

本文参考并借鉴Chen等[25]数值模拟及实验中的方波型微混合器，设计了一种带扩展腔的新型方波型微混合器，如图1所示.微混合器的入口为相互垂直的Y型入口，不同组分的流体分别从入口1和入口2中流入.为保证不同组分的流体等量流入微通道中，入口1和入口2的通道宽度相同.具体通道尺寸如下：入口通道宽度wa=wb=300µm，出口通道宽度wc=300µm，混合主通道宽度w1=300µm，混合通道高度 H=1350µm，入口通道长度 L1=1000µm，通道深度T=200µm和微混合器总长度10.5mm.窄缝宽度w2、扩展腔高度h和窄缝长度s作为结构优化的3个参数.为确保微混合器总长度不会变化，当s改变时，L1保持不变，混合通道长度L2和通道出口长度L3随s的变化而变化.

 

式中，N为微混合器出口截面上节点的个数；Ki为微混合器出口截面上各个节点的组分质量分数；Km为微混合器出口截面上流体完全混合后的各个节点的组分质量分数，为0.5；σm为微混合器出口截面上初始时刻无混合时质量分数的偏差，本文为0.5.M为混合强度，0＜M＜1，即M=0时，代表两种流体完全未混合；M=1时，代表两种流体完全混合.

采用SAR双通道对消技术对两通道信号进行处理，可得散射波干扰对消结果如图6所示.图6(a)是采用自动相位搜索算法进行相位估计的补偿对消成像，从图中可以看出虚假散射场景被完全对消，传统散射波干扰失效.但由于对消后真实目标回波信号受调制项影响，区域成像沿方位向产生对消暗条纹.图6(b)为对消结果的幅度等值线图，在图中很难辨别出虚假散射场景的等幅值线，同时在方位向上靠近干扰机的真实目标幅度极弱，形成了十分明显的幅值低谷，进一步验证了双通道对消效果和真实目标信息损失造成的影响.由式(5)计算可得暗条纹周期约为725m，因此在图中只能显示与干扰机同方位向的一条暗条纹.以上仿真结果均与理论分析一致.

2.2 网格独立性验证

式中，U为入口的平均速度，l为特征长度，对于本文wa为300µm,T为200µm的带扩展腔的方波型微混合器来说，l为240µm.

2.3 实验验证

本文借助高速摄影实验设备 (如图2所示)对微混合器内流体的混合效果与流动状态进行研究分析，并与数值仿真结果进行对比.高速摄影实验设备的型号为基恩士VW-9000.微混合器芯片采用聚二甲基硅氧烷材质加工而成，去离子水和黑色墨水溶液(用去离子水稀释10倍)作为两种流体工质.利用微注射泵将稀释后的黑色墨水溶液和去离子水等速注入微混合器入口1和入口2中，同时使用高速摄像镜头拍摄流体混合过程的光学图像.

  

图2 高速摄影系统示意图Fig.2 Sketch of high-speed photography system

淠史杭灌区续建改造 提升服务保障能力的实践…………………………………………………… 赵以国(21.21)

  

图3 实验和数值模拟M值对比Fig.3 Comparison of mixed index values in experimental and numerical simulation

从图3中可以看出，实验和数值模拟的M趋势基本一致.当Re在0.1～1区间时，M随Re的增大呈下降趋势.当Re在1～60区间时，M随Re的增大迅速提高，两者吻合较好.

  

图4 不同Re下微混合器x-y截面上混合溶液质量分数分布图Fig.4 Distribution of mass fraction of mixed solution in x-y cross section of different Re under micro-mixer

Re分别为0.1,1,20和40时，微混合器x−y截面上的实验和数值模拟混合溶液质量分数分布图，如图4所示，流体流动的状态、混合程度均吻合良好.Re=0.1时，入口流速较小，流体在通道中混合时间相对较长，不同流体工质分子间的扩散时间延长，导致分子扩散较为充分，因此M较高.Re=1时，入口流速虽然比Re=0.1时大，但混合时间变短，不同组分流体间的接触面变得清晰，M降低.Re继续变大，分子扩散逐渐被对流扩散所取代成为影响M的主要因素，随着Re的增大，通道内开始出现涡流，有助于提升不同流体工质间的混合，进而M逐步提高.

3 结果与讨论

3.1 窄缝宽度对混合性能的影响

不同w2下，M和P随Re在0.1～60范围时的变化(h=150µm，s=500µm)分别如图5和图6所示.由图5可知，随着w2的减小，M增强.主要有以下两个原因：一方面，随着w2的减小，窄缝对流体的挤压效果更加显著，导致分子之间的扩散距离和扩散时间缩短，分子扩散更为充分；另一方面，w2减小，使射流效应增强，更有益于混沌对流，对流的产生更有助于打破层流，导致不同流体工质之间的接触面积增大，促进了流体混合，进而M增大.当w2为50µm时，Re在0.1和在10～60区间下，M均大于90%.

  

图5 不同Re下w2对M的影响Fig.5 Effect of w2on M under different Re

由图6可知，随着Re的增大，不同w2下的P均呈上升趋势.随着w2的减小，内部涡流导致能量损失增加，P增幅剧烈.当w2为150µm,200µm,250µm和300µm时，微混合器通道内的P没有明显变化.当w2为100µm且Re=60时，P的最大值为32kPa，对压力泵和微混合器强度的要求并不大；同时相对于前四种w2，在Re≥20时的M均大于90%.因此，将w2=100µm确定为最佳值.

  

图6 不同Re下w2对P的影响Fig.6 Effect of w2on P under different Re

3.2 窄缝长度对混合性能的影响

不同s下，M和P随Re在0.1～60时的变化规律(h=150µm，w2=150µm)分别如图7和图8所示.图7表明s越长，M越大.当s=600µm时，在不同Re下，微混合器的M均最大，其中在Re=60达到最大值，可达99.2%.这是由于在此s下流体混合时间相对延长，更有助于分子扩散，M最高.由图8可知，P与s成正比，s越长，窄缝对流体的挤压时间相对增长，阻力增加.其中Re=60时，s=600µm的 P=17kPa，相比于 s=100µm时增加了 48%.虽然 s=600µm时的 P略微高于其他 s下的情况，但并不会影响到实际应用，因此选择最优的s=600µm.

  

图7 不同Re下s对M的影响Fig.7 Effect of s on M under different Re

  

图8 不同Re下s对P的影响Fig.8 Effect of son P under different Re

3.3 扩展腔高度对混合性能的影响

在微尺度范围下，Re值很小，一般不超过100，所以微混合器中流体的流动状态主要为层流状态.

图9表明Re在0.1～1之间时，随着h的增大，M不断下降，这是由于随着h的增大，不同组分流体间的接触面积减小，导致分子扩散不充分，M降低.当Re=0.1，M在h为50µm时达到最大，可达77%，在h=300µm时最小，为70%.Re在5～60时，h=150µm时的M最大，其中Re=60时，M可高达99%.这是由于在此h下涡流引起的对流扩散效应最为显著.

  

图9 不同Re下h对M的影响Fig.9 Effect of h on M under different Re

由图10可知，随着h的增大，微通道对流体的阻碍作用减弱，P逐渐降低.其中Re=40时，h=300µm下的P值与h=50µm下的P值相比，减小了5.2%.考虑到实际工况条件，Re一般不会小于5，所以选取最优的h=150µm.

  

图10 不同Re下h对P的影响Fig.10 Effect of h on P under different Re

综上所述，带扩展腔的方波型微混合器的最佳结构参数为w2=100µm,s=600µm及h=150µm.

3.4 两种不同结构微混合器混合性能比较

对h=150µm,w2=100µm及 s=600µm下的带扩展腔的方波型微混合器与相同尺寸下的方波型微混合器进行数值模拟，得到Re在0.1～60下的M与P的关系曲线图，分别如图11和图12所示.

  

图11 Re对M的影响Fig.11 Effect of Re on M

糖皮质激素仍是目前治疗哮喘的主要药物，但重症哮喘常表现为糖皮质激素反应性降低，出现激素抵抗及激素依赖。吸烟可使哮喘患者对糖皮质激素治疗出现激素抵抗或反应性降低，还可以影响茶碱类药物的代谢，国外已有研究发现戒烟可帮助吸烟哮喘患者控制症状，减少急性发作次数[5]。国内也有研究发现，戒烟能够减轻小气道功能的损害[6]。

一是反腐国家法律和反腐党纪党规互相冲突。在我国，党纪党规与国家法律是两个不同概念，二者既有联系又有区别，相辅相成。虽然二者在反腐败中都发挥了重要作用，但相互之间还存在一些不协调的地方，有时甚至会发生冲突。这不仅影响了党内法规的执行效果，而且损害了国家法律的权威性和统一性。因此需要努力构建一种双向的沟通协调机制，理顺反腐国家法律和反腐党纪党规的关系。

图12表明两种微混合器模型的P均随着Re的增大而增大，同时由于方波型微混合器的沿程阻力更大，导致方波型微混合器的P要高于带扩展腔的方波型微混合器.其中，在Re=20时，方波型微混合器的P值要比带扩展腔的方波型微混合器高3.6%左右.

  

图12 Re对P的影响Fig.12 Effect of Re on P

带扩展腔的方波型微混合器相对于方波型微混合器的M更高，P更小.对所测的生化反应结果更加准确，而且在复杂的微流控系统中更易集成，混合过程更为安全.

3.5 带扩展腔的方波型微混合器内部流场分析

采用如图2所示的高速摄影系统对微混合器的内部流场进行拍摄，得到两种流体浓度分布的实验结果.

当入口 Re分别取 1,10,20和 60时，微混合器前两个混合单元内两种流体浓度分布的数值模拟与实验分析之间的比较，如图13所示，此时w2=150µm，h=150µm和 s=500µm.

从图13中可以看出，Re=1时，数值模拟与实验中的流线均为层流状态，没有产生涡流，随着Re的增大，微混合器内部开始产生涡流并且涡流逐渐增强的趋势在二者之间也基本吻合，特别是涡旋形状和涡心位置也保持一致.

2.3两组产妇产时产后出血、新生儿情况的比较,观察组和对照组新生儿窒息率分别为 % %,观察组产后出血及新生儿窒息率较对照组明显下降,两组比较差异有统计学意义(P<0.05)。见表3。

实施欺凌行为的性别差异方面，男生在“对他人实施殴打、推搡等肢体暴力行为”和“胁迫他人或勒索财物”以及“嘲笑、取绰号、恶意评论过他人的生理特征等”三个行为方面显著高于女生，而在“言语辱骂、当面或背地里说坏话”、“在网络平台恶意中伤他人、散播他人隐私、谣言等”、“故意孤立、排挤他人”方面，男生与女生之间并无显著差异。

对 h=150µm,w2=100µm 及 s=600µm 下的带扩展腔的方波型微混合器进行内部流场数值仿真，得到Re为0.1～60之间微混合器前两个混合单元x-y截面上的模拟流线图，如图14所示.

  

图13 Re=1,10,20,60时微混合器x-y截面上的流线分布Fig.13 Streamline distributions in x-y plane of micro-mixer at Re=1,10,20,60

从图14中可以看出，Re在0.1～1时，入口流体速度较小，图14(a)和图14(b)中通道内流体的流动状态均为层流，通道内没有涡流产生，混合主要基于分子扩散，M呈下降趋势.Re=5时，入口流体速度相比于Re=1时增大，图14(c)中一半数目的扩展腔内开始出现涡流，对流效应开始逐渐替代分子扩散成为影响混合性能的主要因素，M开始上升.Re=10时，图14(d)除了在原先扩展腔内出现涡流外，主通道内开始出现较小的涡，扩展腔内的涡流与Re=5时相比，涡流强度增大且涡心逐渐向主通道方向移动，增大了流体混合的接触面积，对流明显增强，M继续提高.Re在20～60下，图14(e)～图14(g)中所有的扩展腔内部和主通道内均出现了涡流，涡的数目比Re=10时增多.扩展腔内部的涡随着入口流体速度的增大，涡心越来越偏离扩展腔，向主通道方向移动的趋势越来越明显，且主通道内涡流也随着入口速度的增大，涡心逐渐向主通道中间位置移动，导致涡的范围越来越大.正是因为这些涡的移动，打破了通道内的层流状态，增大了不同流体工质间的接触面积，促进了物质交换，混合性能增强.

  

图14 Re在0.1～60下x-y截面上的流线图Fig.14 The streamline distributions in x-y plane at Re=0.1～60

4 结论

(1)带扩展腔结构的方波型微混合器能在流体层流的基础上引入涡流，有效地促进了不同流体之间的混合，有助于提高监测生化反应结果的安全性及准确性.相比于方波型微混合器，带扩展腔的方波型微混合器在雷诺数Re≥5时具有更好的混合强度.虽然两种微混合器在相同Re范围0.1～60区间内表现出类似的压降趋势，但是带扩展腔的方波型微混合器的压降略低于方波型微混合器.

“三区”人才支持工作是一项全国性的人才培养工程，我们不应把目光仅局限在河北省，凭借一己之力，去帮扶贫困单位，应转换思维，加强与先进省市兄弟单位以及高校图书馆的合作与交流，把“请进来”和“走出去”相结合，根据实际情况制定战略合作协议，包括聘请知名专家、学者授课、实进行人才交流等方式支持工作的开展。也可带着基层公共图书馆学员“走出去”，观摩先进图书馆对口岗位经验和技术，吸取经验教训，开阔思路，不断提升自我。

(2)微混合器混合性能的变化规律为设计微混合器提供了重要的理论参考.优化后的微混合器的体积缩小，流体间的扰动和对流效应增强，不同流体之间的接触面积增大，分子扩散更加充分，混合效果得到进一步提高，更有助于集成和生化反应的顺利进行.

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