基于集总参数法的附壁射流无阀压电微泵建模

发布时间：2020-03-29 00:06

【摘要】：附壁射流无阀压电微泵是一种新型的微动力元件,是微流控系统乃至微机电系统中重要的的驱动元件和执行元件。为了更好地对附壁射流无阀压电微泵进行设计和优化,预测其给定几何尺寸和特定工况下的动态性能,建立一个简洁方便、准确有效的计算模型十分必要。本文基于集总参数法的思想,首次对典型的附壁射流无阀压电微泵进行了整泵的建模,得到了该泵的等效电路模型,并加工了两台样泵进行了相应的外特性试验,研究结果表明该集总参数模型能有效地预测附壁射流无阀压电微泵的动态性能。本文的具体内容及结论如下:将一个典型的附壁射流无阀压电微泵划分为压电驱动部分和射流元件部分两大块,对这两大部分分别采用动力学建模和数值模拟拟合的方法构建计算模型,两大部分之间通过体积流量的传递联结起来。根据附壁射流无阀压电微泵的基本工作原理,利用电学和力学之间的类比,得到了附壁射流无阀压电微泵的等效电路模型。在等效电路模型中,电流和电压分别代表实际系统中的体积流量和压差,电阻、电容和电感分别用来表示能量耗散、势能变化和动能变化,理想变压器则说明能量从电学域向流体域的转换情况。利用该等效电路,采用电路理论计算得到整个系统的频响函数(?),即出口体积流量和输入电压之间的关系。根据弹性薄板小挠度理论,对双层复合结构的压电振子作Kirchhoff基本假设,推导出压电振子的振动位移方程。通过求解振动方程得到位移分布,进而得到有效压电常数d_a和换能系数φ。利用类比动量方程的计算方式,最终得到压电振子振动膜片的等效集总参数。针对不同扩散管开角(q分别为15°、30°、45°、60°、75°)和不同喉部宽度(d分别为100μm、150μm、200μm、250μm、300μm)的附壁射流元件在不同Reynolds数(400、600、800)下进行数值模拟计算。模拟结果表明,体积流量随Reynolds数的增加而增加,随着扩散管开角和喉部宽度的增加先增加后减小,其中存在一个最佳扩散管开角和最佳喉部宽度。经MATLAB三维拟合分别得到了附壁射流元件在泵出过程和吸入过程中进口段和出口段的等效总体阻抗拟合曲面。在硅基上采用湿法刻蚀加工了扩散管开角分别为30°和45°的两台附壁射流无阀压电微泵样泵,并搭建了外特性试验台进行相应的试验研究。试验结果表明:在压电振子可承受的强度范围内,微泵的体积流量随电压幅值的增加而增加;工作频率是影响微泵性能的关键因素,微泵的体积流量随着频率增加先增加后减小,中间存在一个最佳工作频率为75Hz;扩散角为45°的试验样泵,其体积流量要高出30°的试验样泵,在最佳工作频率时增幅接近40%。将集总参数模型中的各参数代入等效电路模型中,用MATLAB Simulink进行模拟计算,得到各个工作频率下的体积流量估计值。结果表明,模型计算值和试验测量值两条曲线具有一致的变化趋势,模型计算值总体上要大于试验测量值。
【图文】：

过程图,收缩管,压电,工作原理图

(b) 泵出过程图 1.1 扩散/收缩管型无阀压电微泵的工作原理图ig. 1.1 The working principle of diffuser/nozzle valveless piezoelectric micropu93 年，瑞典查尔姆斯理工大学的 Stemme 等人制作和测试了第一台无阀压电微泵[27]，这是目前已知的公开发表的第一篇介绍了无阀压文章。该泵由一个泵腔和两个圆锥型扩散/收缩管组成，两个扩散于泵腔的两侧，整个泵体的直径为 19mm，，制作材料为黄铜（如值得注意的是，在流道最窄处的宽度（喉部宽度）已经小于 1m的微流道。该泵的工作频率在 100Hz 量级，最大流量可达 16ml可达 2m H2O。1995 年，瑞典皇家理工学院的 Olsson 等人为了获得送效果，在 Stemme 的研究基础上提出了一种双腔并联式扩散/收缩微泵，并将原圆锥型扩散/收缩管改为平面型，所用的制作材料依图 1.3 所示）[34]。该泵单个泵腔直径为 13mm，总厚度为 1mm，

结构图,设计制作,实物,结构图

(a) (b)图 1.2 Stemme 等人设计制作的微泵结构图(a)和实物图(b)[27]Fig. 1.2 The diffuser/nozzle valveless piezoelectric micropump proposed by Stemme(a) (b)图 1.3 Olsson 等人提出双腔并联式微泵的流道结构图(a)和工作原理图(b)[34]Fig. 1.3 Two pump chambers arranged in parallel proposed by Olsson
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TH38;TH-39

【参考文献】