案例4 - 薄板混合器

1.案例介绍

本案例使用格物CAE标量运输模块，以薄板混合器案例为例。

本案例介绍微观流场下流体的混合现象，在宏观层面，系统通常采用混合工具等制造湍流的手段来混合流体，然而，在微观层面，这种方法不切实际，甚至根本不可能实现，因为微观装置下流体的的雷诺数普遍较小，流动为层流，因此在微流体装置中有效地混合流体需要其他手段。本案例展示的是使用多层流来改善混合作用的组件截面。混合器有多层微通道，每隔一层，被混合的两种流体就会交替出现，如图所示：

流体在通道中从后向前流动，进入一个更大的空间，即混合室。

在本案例中，基于混合器的高度对称性，模型从向左弯曲的通道中间的一层开始，在向右弯曲的通道中间的另一层结束，而这两层通道都只构建出了一半的高度，另一半使用流场模型顶部、底部的对称边界替代。向左弯曲的通道输入浓度为 50 mol/m³ 的示踪物，而向右弯曲的通道输入示踪物浓度为零，如下图所示：

2.网格/计算文件

网格文件：Microfluidics.med

3.操作说明

本案例在格物CAE->标量运输模块中完成。

3.1 计算设置

标量运输仿真 处，选择湍流模型为 层流，时变特性为 稳态，关闭温度计算，如图所示：

3.2 网格导入

下载网格文件，在 标量运输仿真->网格 中，点击上传网格，依照指示将网格文件导入。

导入网格后，可通过鼠标左键移动视角，右击平移网格体。

3.3 标量设置

点击 标量运输仿真 -> 标量设置，设置标量名称为 tracer, 扩散系数为 1e-10 m²/s。

3.4 材料选择

点击 材料 右侧的 [+]，添加流体材料，选择 水。

水的运动粘度为 0.001 Pa·s，密度为 1000 kg/m³。如图所示：

3.5 初始条件

点击 初始条件，设置初始状态下 tracer 的值为 0，设置完成情况如图所示：

3.6 边界条件

点击 边界条件 右侧的 [+]，依此进行如下边界条件的定义：

• 速度入口1

选择 速度入口，点击施加位置右侧的[+]，勾选 Inlet1，设置速度为 0.0013m/s，设置 tracer 的值为 50，

设置完成情况如图所示：

• 速度入口2

选择 速度入口，点击施加位置右侧的[+]，勾选 Inlet2，设置速度为 0.0013m/s，设置 tracer 的值为 0，

设置完成情况如图所示：

• 出口3

选择 出口，点击施加位置右侧的 [+]，选择标量 tracer 的边界条件类型为 一类边界条件，定值为0 , 勾选 outlet，

设置完成情况如图所示：

• 壁面4

选择 壁面，点击施加位置右侧的 [+]，勾选 wall，选择标量 O3_cen 的边界条件类型为 二类边界条件，定流量为0 ，

设置完成情况如图所示：

• 对称面5

选择 对称面，点击施加位置右侧的 [+]，勾选 Symmetry，

设置完成情况如图所示：

3.7 时间设置

点击 时间步&资源，保持定时间步长计算，选择时间步数为 10000，时间步长为 0.001 s，选择输出频率为 500，即每0.5秒输出一帧后处理结果，如图所示：

可在计算核数栏选择填入需要使用的计算核数。

4. 计算和仿真结果

设置完成后，点击 仿真结果，点击 开始计算，即可提交计算。

计算完成后，在标量运输仿真处会显示绿色图标，此时可开始进行仿真结果的查看。

点击 仿真计算->结果云图，分别选择物理场为 Velocity/Magnitude 和 tracer/tracer ,即可观看稳定状态下速度以及示踪物的标量场分布。可以看到，在微通道的末端附近，混合室具有两种流体的不同薄层，但这种分离在接近混合室末端的位置时有逐渐消失的趋势。