PDF《微尺度电动混合混沌反控制方法》

2013 年第58 卷第11 期:1057 ~

1062 www.

scichina. com csb. scichina. com 引用格式: 张荣标, 杨宁, 赵雨琦, 等. 微尺度电动混合混沌反控制方法. 科学通报, 2013, 58: 1057C1062 Zhang R B, Yang N, Yao Y Q, et al. Electrokinetically driven flow mixing in micro scale based on chaotic anti-control method (in Chinese). Chin Sci Bull (Chin Ver), 2013, 58: 1057C1062, doi: 10.1360/972012-999 《中国科学》杂志社 SCIENCE CHINAPRESS 论文微尺度电动混合混沌反控制方法 张荣标 ① , 杨宁 ①* , 赵雨琦 ② , 徐佩锋 ① , 张忠强 ③ ① 江苏大学电气信息工程学院, 镇江 212013;

② Department of Electrical &

Computer Engineering, Stony Brook University, Stony Brook, 11790, USA;

③ 江苏大学机械工程学院, 镇江

212013 * 联系人, E-mail: yangning7410@163. com 2012-06-26 收稿, 2013-01-08 接受 国家自然科学基金(11102074)资助 摘要 针对被动式混沌微混合器受控性差且加工难度大等缺点, 基于广义混沌同步理论, 提出 了一种运用混沌电场对微流控芯片有序层流流体进行主动混合的电动混沌反控制方法. 该方 法将 Duffing 混沌模型施加于微流控芯片混合室的壁面电极, 结合微流控芯片微混合室建立控 制模型, 采用 Rosenstein 小数据量混沌评价法对流体混沌效果量化评价, 进一步优化 Duffing 混沌反控制算法模型参数. 对优化后的混合混沌反控制算法与传统正余弦控制算法进行性能 分析. 研究结果表明, 优化后 Duffing 算法控制流体进入混沌状态的时间比传统正余弦算法提 前了约 27. 3%, 最大 Lyapunov 指数提高约 25%, 说明该方法有效地提高了微流控芯片微混合 器的混沌混合效果. 关键词 微流控芯片 混合 混沌反控制 参数优化 混合是微流控芯片的基本操作之一, 其性能决 定着微流控芯片完成生化实验的效果. 然而, 在微流 控系统中, 雷诺数严重限制了流体的混合, 因此不同 流质的混合主要依靠扩散来进行, 扩散是一种缓慢 的固有过程, 所以通过增加混合微通道的长度和延 长混合时间可以提高混合质量. 然而增加微通道的 长度会增大微流控芯片的尺度, 延长混合时间会降 低实验的效率. 为此, 国内外学者针对高效的混合方 法进行了深入的研究. 已有研究表明混沌对流能够 使流体在微尺度条件下快速折叠拉伸, 从而增大扩 散界面, 减小分子扩散距离, 实现快速混合. 为此人 们对能够产生混沌效果的微混合器进行了大量的研 究. 如哈佛大学 Stroock 等人[1] 在Science 上公开发表 了一种 人 字浅浮雕型混沌微混合器, 在微通道底 部加工制作交错排列的 人 字浅浮雕, 能够使流体 在通道内产生螺旋式流动, 遂引起混沌对流. 随后, 华盛顿海军研究实验室 Howell 等人[2] 在通道底部和 上部均加工交错排列浅浮雕结构, 实现了更好的混 沌效果.

2006 年英国伦敦皇家学院 DeMello 教授[3] 在Nature 上发表文章, 对内置浮雕型混沌微混合器进 行了综述. 随后 Hossain 等人[4] 采用三维 Navier-Stokes 方程和多目标进化算法等对墙壁上交错排列浅浮雕 形状进行优化, 进一步改善了混沌混合程度. 以上方 法都是通过在微通道内设置障碍物来实现混沌混合. 此外还有一些通过改变微通道整体结构来设计混沌 微混合器. 如Hong 等人[5] 设计的 Tesla 结构微通道, 能够产生 Coanda 效应实现流体的混沌对流. Kim 等人[6] 则设计了一种 F 型混合单元引导流体产生混沌 对流效果. Xia 等人[7] 提出了两层交联的 X 型三维混 沌混合微通道结构, 使得流体在通道流通过程中形 成湍流混沌对流. Jen 等人[8] 设计了斜坡型、 倾斜型和 波浪型三种通道扭曲型的混沌微混合器, 来获得混 沌混合效果. 中国浙江大学流体传动及控制国家重 点实验室[9] 设计了一种三维交叉导流式混沌微混合 器, 并采用拉格朗日跟踪法分析了该类型微混合器 的混沌混合特性[10] . 然而, 上述方法均为被动混合