合成射流无阀压电微泵的电—固—液耦合模拟及动力学建模

发布时间：2020-04-10 14:48

【摘要】：本文主要研究内容是对合成射流无阀压电微泵进行动力学建模以及多物理场电-固-液耦合模拟。尽管无阀压电微泵的特征尺度在微米级别,微泵内部的流动与宏观流动的状态不太一样,但是由于介质是液体,一般在宏观运动中所用到的动量和能量的方程都可以应用在微观流体中。在微观的尺度下,整个无阀压电微泵的耦合特性增强,但对于耦合特性的研究还处于空白的状态,除此之外,由于动力学建模和实验研究的困难也给耦合研究带来很大的挑战。耦合模拟研究涉及到多物理场如电场、固体场以及流体场,多物理场耦合模拟可以更好的模拟实际工况下微泵的运行,但是现在对于合成射流无阀压电微泵的模拟分析还处于单一的流体场或者是固体场,其他的物理场并没有考虑进去,所以并没有能够准确的模拟合成射流无阀压电微泵的实际情况。本文通过对合成射流无阀压电微泵通过理论建模分析,利用全耦合的数值模拟和实验相结合的方法,对合成射流无法压电微泵进行多物理场电-固-液耦合模拟,研究如下几部分内容:对合成射流理论作了详细的介绍并对合成射流的形成条件作了详细的阐述,了解合成射流的形成条件并对其进行理论推导,得到形成合成射流的必要条件。了解合成射流无阀压电微泵中微观流体的运动,并介绍了描述微流体运动中的无量纲数,除此之外对压电效应和压电材料作了详细的介绍。对双层压电驱动器基于弹性薄板理论进行简化并对其进行动力学建模,并推导其振动位移方程。对压电振子进行电-固耦合模拟,得到其不同电压下的振动位移以及振子在半径方向的位移。对压电振子进行振动位移实验验证电-固耦合模拟的正确性,从模拟和实验的比较图中可以看出,电-固耦合模拟的结果与测量位移的结果基本的重合。对合成射流无阀压电微泵整体进行动力学建模得出泵内部的压力和界面速度以及固有频率。使用专业的耦合软件COMSOL Multiphysics对合成射流无阀压电微泵进行多物理场电-固-液耦合模拟,对合成射流无阀压电微泵进行了三维结构下的耦合模拟分析,建立耦合模型,进行包括压电振子本身的电-固耦合分析以及振子与流体的固-液耦合分析的双向的耦合分析,全面的分析了耦合作用下的压电驱动器的服役特性以及流体流动的流动特性,压力驱动器的吸入阶段的最大位移处也是排出阶段的最大位移处,同时从流线图中可以看出合成射流的形成的过程,符合当时对于合成射流无阀压电微泵的设计理念。由模拟可知压电振子上的加载的电压和频率必须在某一个固定的范围内合成射流无阀压电微泵才能够大流量的出流,主要是因为合成射流出流主要的原因在于合成射流腔的尺寸是一定的,而涡对的形成与发展以及对于腔中的流体的卷吸需要一定的时间以及足够的流体,所以电压过大或者频率过低过高都不能够满足条件。对合成射流无阀压电微泵进行实验验证,实验结果表明,当频率不变时,低频率下,不管电压如何变化,微泵的出口流量都很小,当频率变高时,电压增大流量先增大后来保持不变。当电压保持不变时,频率出口流量随着频率的增大而增大,但超过100Hz后出口流量也会变得很小。这符合之前耦合模拟的结果。
【图文】：

树状图,压电泵,分类树

电泵的分类着压电泵的不断的发展，基于压电泵上应用的原理不同可将压泵和压电超声泵[28]。压电膜片泵是通过利用驱动器的机械变形达到排吸流体的目的。其中，按照驱动元件的数量可将压电泵叠堆式[30]：按照泵腔的数量不同可分为单腔[31]和多腔[32]；按照片可将微泵分为有阀[33]和无阀压电微泵[34]。对于有阀压电泵来简单，且由于多年的发展，有阀压电微泵更容易制造。但其的流体的压力损失会由于活动阀的存在而增大，流体因压力的降气泡会对微泵的运行有很大的影响。有阀压电微泵运行中阀片低微泵对于流量的控制性能，，并且相对于无阀压电泵来说有阀，无法形成较低尺度的微泵。而压电超声泵则是利用压电材料特性来实现流体的单向的运输。图 1.1 是压电泵分类的树状图

曲线,收缩管,压电

阀片收到流体的影响会产生磨损和疲劳甚至是失效这会降低微泵的灵敏度和可靠性，会降低微泵的使用的寿命。无阀压电微泵由于使用了特殊的微流管结构和微流动特性来现微泵的性能的运行，由于不存在阀结构可以很好的解决上述有阀的缺陷问题[35-37]。在近 30 年的研究中，基于不同流管和不同动特性的微泵被研发出来。像异型管、涡旋管、螺旋管、三通管、幂律曲线管、V 形管、分叉几何管无阀微泵就是研发不同流管研发的无阀微泵[38-40]，像串并联泵腔、流道内置阻块、泵腔底部设阻块等无阀压电微泵就是基于不同的流动原理设计的无阀压电微泵。1992 年德国科学家 Richter 首次将无阀压电薄膜振动微泵的设想提出[41]，G.Stemme 等人在 1993 年将这个设想变为现实首次将扩散收缩原件应用在微泵上制造出了第一台无阀压电微泵[42]，并试验证明了这台微泵的可行性。如图 1.2 展示了这个新型无阀压电微泵的结构与成品图。
【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】