Design of micromixer for precision milled microfluidic systems

Abstract

Mixing in microfluidic systems is a challenging problem since the flow is almost always laminar hence the transport of species depends only on diffusion. In this thesis, a passive micromixer is designed for mixing two miscible liquids in a micro channel. The mixer utilizes series of throttles, which reduce the diffusion length, placed along the mixing channel. Although there are many fabrication techniques to manufacture microfluidics, the throttles constituting the micromixer are specially designed to be fabricated by micromilling. Here, micromilling is particularly chosen because of its flexibility and productivity compared to other microfluidic fabrication methods. For design purposes, firstly the parameters affecting the mixing performance are determined. These parameters are defined as the Reynolds number (Re), non-dimensional throttle size and the number of throttles. Then, micromixers are simulated using computational fluid dynamics tools available in COMSOL Multiphysics at different parameter levels. As a result, it is found that micromixers with 15 to 20 throttles can achieve a mixing efficiency greater than 80% in very low Re flows. After optimizing the design, the micromixer is improved by shifting the throttles off the axis of the mixing channel. It is seen that the improvement increases the mixing efficiency to 84%.

Mikro akışkan sistemlerde karıştırma, akışın neredeyse her zaman laminer olması ve buna bağlı olarak taşınımın sadece difüzyona bağlı olması nedeniyle zor bir problemdir. Bu tezde, birbiriyle karışabilen iki sıvının bir mikro kanal içerisinde karıştırılması için pasif bir mikro karıştırıcı tasarlanmıştır. Karıştırıcı, difüzyon mesafesini kısaltan ve karıştırma kanalı boyunca yerleştirilmiş olan bir dizi boğumdan faydalanmaktadır. Mikro akışkan sistemlerin imalatı için birçok üretim tekniği olsa da, mikro karıştırıcıyı oluşturan boğumlar özellikle mikro frezeleme ile üretilecek şekilde tasarlanmıştır. Burada mikro frezeleme, diğer mikro akışkan üretim yöntemlerine göre esnekliği ve üretkenliği sebebiyle özellikle seçilmiştir. Tasarım amacıyla, ilk olarak karıştırma performansını etkileyen parametreler belirlenmiştir. Bu parametreler Reynolds sayısı (Re), boyutsuz boğum büyüklüğü ve boğum sayısıdır. Sonrasında mikro karıştırıcıların, COMSOL Multiphysics içerisinde yer alan hesaplamalı akışkanlar dinamiği araçları kullanılarak farklı parametre seviyelerinde simülasyonları yapılmıştır. Sonuç olarak, 15-20 boğumlu mikro karıştırıcıların çok düşük Re akışlarında %80'in üzerinde karıştırma verimine ulaşabildikleri bulunmuştur. Tasarım eniyilendikten sonra, mikro karıştırıcı, boğumlar kanal eksenine göre kaydırılarak iyileştirilmiştir. Bu iyileştirmenin karıştırma verimini %84'e yükselttiği görülmüştür.