一种小型电磁力驱动流体混合器的特性

　　对于许多面向生物化学分析、药物供给、核酸筛选及合成等应用的流体系统来说，迅速混合是至关重要的。在细胞活化、免疫反应和蛋白质复制等生物学过程中，通常包含一些反应，而试剂混合也是不可缺少的[1]。小尺度下的流动和大尺度下有许多不同。在小尺度条件下为低雷诺数下的流动，不出现湍流，因此液体的混合主要是靠分子扩散，混合过程需要很长时间和很长的混合长度。为了提高混合效率，需要一种新的方法来实现液体混合[2]。文献中可以见到的混合器可以分为被动混合器[3]和主动混合器[4]。被动混合器以采用灵巧的几何形状来增加被混合流体的界面面积，它利用复杂几何形状在流道内产生剪切流动或产生压力诱导的随机对流流动而增强混合[5]。主动混合器利用外加在流体上的一些主动控制来实现流体的混合[6]。这些外加于流体的控制有: ( 1) 运动部件; ( 2) 改变入口处流体的流动参数，如压力、速度等; ( 3) 外加场，如超声波、电场、热流场、电磁场等[7-8]。本文设计的主动混合装置利用电磁力驱动流体，增加不同流体间的接触面积从而达到混合的目的。首先在流场中形成沿圆柱体混合器径向分布的电场，然后使流场处于沿混合器轴向分布的匀强磁场中，从而在流场中产生切向电磁力，在此电磁力作用下，混合器中液体做圆周运动。采用粒子图像测速( PIV) 技术对电磁力驱动下的流场进行观测，并对结果进行分析和处理。建立电磁动力搅动混合的理论模型，对这一过程进行数值模拟。对数值模拟结果与实验结果进行了分析比较。

　　1 实验系统

　　1. 1 实验装置

　　该实验装置系自行设计并制作。为了在圆柱体混合器内部产生沿径向分布的电场，以混合器的外壁作为一个电极，在混合器中部设立一个沿轴向的电极，沿混合器轴向分布的匀强磁场是通过长直螺线管来实现。

　　实验装置如图1 所示，装置第一部分液体混合室由铜环( 2) 电极，与其同轴的铜柱( 3) 电极和用于安装铜管和铜的电绝缘硬木支架( 1) 组成。铜环和铜柱用作电极，在混合室内产生沿半径方向的电场。在支架底部有一个接线端子与中心的铜柱相连，用来引出导线，铜环上也引出一个接线端子。铜环的内径8 mm，外径10 mm，高度5 mm，铜柱的直径为0. 6 mm。混合室的液体是一定浓度下的硫酸铜溶液，液体深度为3 mm，电导率为0. 53 s /m。装置第二部分是用来产生匀强磁场的长直螺线管( 4) 。它是由2 934 匝铜漆包线密绕在PV 管上形成的，其中铜漆包线直径为0. 55 mm。整个螺线管的内径为50 mm，外径为58 mm，长度为150 mm。当电流为1 A 时，螺线管中心处产生的匀强磁场场强为0. 02 T 。装置第三部分是圆形有机玻璃底座( 5) ，上面有两个圆形的槽，分别用来固定螺线管和硬木支架，支架的高度为螺线管高度的一半，使液体处于均匀磁场中。