董馨,刘小民

(西安交通大学能源与动力工程学院,710049,西安)

微流控芯片的微流动通道加工技术和结构布置一直为学术界与工业界所重视,它除了连接流体器件的出口和入口、起到连通作用之外,还具有流量分配、试剂混合等功能,同时也希望流体流经微流通道时能够将某些目标值降到最小,如能量耗散、阻力、压降等,以满足微流控芯片能耗低的优点。

文献[1]采用电学比拟法研究了Stokes流动的流道流量分配设计,但电学比拟法只能作为一个近似求解方法,不能准确地设计高精度的流体网络。文献[2]设计了一种用于试剂混合的微通道,由T型微通道和Y型微通道组合而成,其中T型微通道用于制备微液柱,Y型微通道和T型微通道组合用于两种试剂混合。现有的这些微流设备的设计大部分都只是基于设计者的经验和直觉,或者依赖于研究者的尝试改进方法进行的。这些设计方法带有较大的随机性,很难获得具有最佳性能的设计构型。

部分研究者基于数值分析技术的尺寸优化、形状优化和拓扑优化方法对微流器件进行设计和改进。文献[3]首次将拓扑优化设计引入流体力学领域。文献[4-6]对中低雷诺数下的二维定常不可压缩黏性层流流动进行拓扑优化设计,并将Stokes流动扩展到Navier-Stokes流动,以此对文献[3]的工作进行延伸。拓扑优化作为更高层次的优化方法,得到的设计结果更加合理,且不受原有微流通道拓扑结构的限制。文献[7]首次采用密度类拓扑优化方法,通过对不同雷诺数下牛顿流体和非牛顿流体进行拓扑优化,研究对象是Carreau-Yasuda非牛顿本构模型。……