微混合器是利用微通道结构使微量体积流体实现快速高效混合的重要前处理装置。凭借试剂消耗量少、稳定性高、易于集成和安全性高等特点,广泛应用于生化检测、色谱分析等领域。超高效液相色谱分析(Ultra Performance Liquid Chromatography,UPLC)是进行生化色谱分析的重要设备,高性能的微混合器可以实现检测试剂的充分混合,提高检测精度。本文针对方波型和嵌入障碍物型两种不同结构的被动式微混合器,通过实验和数值模拟相结合的方法,研究结构尺寸对微混合器内流体流动特性和混合性能的影响,探究UPLC微混合器的混合机理,并对其混合性能进行优化。(1)通道结构对方波型微混合器流动特性及混合性能影响研究。针对方波型微混合器,通过实验和数值模拟方法研究在不同Re下流体的混合特性,分析通道宽度和高度对流体流动特性及混合性能的影响关系。混合过程根据Re大小分为分子扩散主导和对流扩散主导两个阶段。在分子扩散主导阶段影响混合强度的因素为特征扩散长度,在对流扩散主导阶段影响混合强度的因素为由离心力诱导产生旋涡的大小和强度。在分子扩散主导阶段,通道宽度的缩小可显著提高混合强度,比通道高度的缩小对混合强度的提升作用更明显。在对流扩散主导阶段,通道宽高比为1:1时二次流旋涡发展最充分,混合强度最大,并在此基础上缩小通道截面尺寸可增大旋涡强度,提高混合强度。(2)几何构型对嵌入障碍物式微混合器混合性能影响研究。针对带有混合腔的嵌入障碍物式微混合器,研究了混合腔形状对混合性能的影响。通过改变障碍物和窄缝几何尺寸的方式,探究混沌和射流效应对嵌入障碍物式微混合器混合性能的影响。在Re≤1和Re≥20范围内,六边形混合腔微混合器相较于其他两种微混合器混合性能更优,具有混合强度高、压降小的特点。障碍物前方的旋涡导致流体混合过程中出现跨浓度流动现象,扩大了流体间的交界面积,促进了流体充分混合。增大障碍物高度可扩大障碍物后方的旋涡尺寸,促进混合。缩小窄缝宽度可以在促进射流效应的同时更利于流体跨浓度流动现象的产生,显著提升混合强度,但也会引起压降较大程度的提高。(3)UPLC微混合器的结构尺寸对混合性能的影响研究。针对UPLC微混合器,分析流体在混合腔中的流动状态和混合特性,研究微珠结构的有无和尺寸、入口通道间距及倾角对混合强度和压降的影响关系,优化微混合器的结构尺寸。混合腔中微珠结构的存在增强了流体的扰动,充分利用混沌效应和射流效应促进流体混合。微珠直径的增大增强了流体的混沌效应,可在压降减小的同时提升混合强度。入口通道间距的缩短和倾角的增大可增强两流体相互碰撞,促进混合,同时不会对压降造成影响。在研究范围内,混合腔内填充480μm直径微珠、入口通道间距0mm、入口通道倾角为45°的微混合器混合性能最优。在入口总流量为5 ml/min时,优化后的微混合器混合强度提升了27.31%。