无阀压电微泵的电-固-液耦合模拟及动力学建模

发布时间：2020-06-15 19:55

【摘要】：无阀压电微泵作为微流控系统中的一种重要动力源,是利用压电陶瓷的逆压电效应驱动泵腔流体作往复运动,通过特殊结构的流道实现流体的定向输送。在众多领域有着广阔的应用前景。目前无阀压电微泵的研制过程主要集中在驱动机理和加工方法的讨论,而传统的实验研究不能提前预测其输出特性,且难以获知微泵内部流体的瞬态流动特性。现阶段的数值模拟方法大都局限于单一域,未考虑多物理场的耦合效应。本文通过动力学耦合建模理论分析,多物理场全耦合数值模拟和实验相结合的方法,对压电—固体—流体三场耦合作用下的无阀压电微泵展开研究,主要包括以下几部分的内容:基于弹性力学薄板小挠度理论对简化双层结构的压电驱动器进行动力学建模,推导其振动位移方程,得到沿半径方向的位移分布。对压电驱动器进行电-固耦合模拟,对其进行模态分析,得到其一阶固有频率。对其进行瞬态动力学分析,得到中心点位移随时间呈正弦波动,驱动频率在200Hz以下的压电驱动器中心点最大位移与电压幅值成正比。利用激光测振仪对压电驱动器进行了位移测量实验,验证动力学建模和耦合模拟的准确性。综合考虑压电—固体—流体基于微流体力学,分析了流体在扩散/收缩管内的流动特性,通过平均速度和平均位移建立整泵的动力学模型,推导出扩散/收缩管型无阀压电微泵的输出特性方程和谐振频率,能更完整地反映整个微泵的工作过程,为无阀压电微泵的多物场耦合研究提供了新思路。通过多物理场耦合分析软件COMSOL Multiphysics对扩散/收缩管型无阀压电微泵进行三维结构下耦合模拟分析,建立了无阀压电微泵的电—固—液耦合仿真模型,包括压电驱动器的域内耦合和双向流固耦合。更加全面地分析耦合效应下压电驱动器的服役特性以及流体输送机理。对不同扩散角度的无阀压电微泵进行试验,试验结果表明,微泵输出流量随着驱动电压的增大而增大,不同结构的扩散/收缩管型无阀压电微泵对应不同的最佳工作频率,对于长宽比为15,喉部尺度为200μm的扩散/收缩管型无阀压电微泵,最佳工作频率范围为75—100Hz。最佳工作频率随着扩散角的增大而减小。驱动电压频域在25-150Hz,幅值在50-150Vpp下的最优扩散角度为10°。
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH38
【图文】：

压电泵,研究现状

图 1.1 压电泵分类Fig. 1.1 The classification of the piezoelectric micropumps电微泵的国内外研究现状

结构图,收缩管,压电,实物

江苏大学硕士学位论文3该泵的结构图和实物图如图1.2所示。图 1.2 扩散/收缩管无阀压电微泵结构图及实物图Fig. 1.2 The structure and pictures of the piezoelectric micropump with diffuser/nozzle tube1995 年，德国 T.Gerlach 等人[33]首次研制出硅基扩散收缩管无阀压电泵，如图 1.3 所示，使用刻蚀工艺为各向异性湿法，在硅片上刻蚀出所需要的腔体和流道。硅基微泵的诞生使得无阀压电微泵的特征尺寸进入到微米级别，对其微型化、集成化发展作出巨大贡献。图 1.3 硅基无阀压电微泵结构示意图Fig. 1.3 Schematic diagram of the valveless piezoelectric micropump based on silicon同年，Forster 等将 Tesla 管应用到无阀压电泵的设计制造中[34]，以此来获得更大的正方向流阻差，Tesla 管结构如图 1.4 所示

【参考文献】