双腔串联附壁射流无阀压电微泵的数值模拟与试验研究

发布时间：2020-10-19 15:23

　　 微泵在微流体系统中扮演着至关重要的角色,其性能的高低往往能够直接决定微流体系统整体的表现。微泵在药物检测、生物医学、芯片试验室系统以及微电子芯片冷却系统中具有广泛的应用。在各种新开发出的微泵中,基于逆压电效应的无阀压电微泵以其结构尺寸小、能耗低、没有阀片的磨损和疲劳等优点逐渐成为研究的热点。本文在附壁射流无阀压电微泵的基础上提出了一种结构紧凑、性能更优的双腔串联附壁射流无阀压电微泵,这种串联微泵将两个附壁射流元件集成在一起,通过两个泵腔的协同工作可以实现80%的工作周期都能够排出流体。以下是本文的主要研究内容和结果:1.基于康达效应提出了新型的双腔串联附壁射流无阀压电微泵,并且阐述了该泵的理论基础和工作原理,在压电振子采用Bu模型的条件下,推导出了串联微泵的容积效率以及特征雷诺数计算公式。选取硅基材料加工样泵进行外特性试验,介绍了样泵加工中的主要工艺方法,包括掩膜板的加工、硅基的光刻与刻蚀以及玻璃板和硅片的键合等。2.通过试验研究了三种不同结构尺寸的附壁射流无阀压电微泵(P1、P2和P3)在驱动电压为75vpp~250vpp,激励频率为25Hz~250Hz下的性能曲线。试验结果发现,无论是单腔附壁射流无阀压电微泵还是异相工作的双腔串联附壁射流无阀压电微泵在激励频率不变的情况下其净流量均随着电压的增大而增大。当驱动电压一定时,单双腔附壁射流无阀压电微泵的净流量在整体上又随着频率的增大呈现出先增后降的趋势。当驱动电压为200vpp时,单、双腔附壁射流无阀压电微泵对应的最优驱动频率分别为60Hz和50Hz,此时的净流量分别为0.735ml/min和1.062ml/min。双腔串联附壁射流无阀压电微泵在异相工作(两振子驱动相位差为180°)时的性能要明显高于同相工作(两振子驱动相位差为0°)时的性能,并且当两腔同相工作时微泵会在特定的驱动条件下出现倒吸现象。当增大双腔串联附壁射流无阀压电微泵的附壁射流角度θ时,其净流量会明显增大,但是最佳激励频率也会增加,P2(θ=30°)和P3(θ=45°)在200vpp的异相驱动电压下面达到最大净流量时的激励频率分别为50Hz和75Hz。3.利用SST湍流模型以及速度边界条件对双腔串联附壁射流无阀压电微泵的性能进行仿真模拟。比较了双腔串联附壁射流无阀压电微泵的两个振子在不同驱动相位差下面的流量特性,结果表明两振子在180°相位差下工作时微泵的净流量最大,当雷诺数Re=500,频率f=50Hz时,异相工作的净流量为0.955ml/min,接近同相工作时的三倍。在相同的速度边界条件下,双腔串联附壁射流无阀压电微泵(两振子异步工作)的净流量要高于单腔附壁射流无阀压电微泵,但双腔串联微泵的容积效率要低于单腔。在背压表现方面,双腔串联附壁射流无阀压电微泵的优势明显。从数值模拟结果中可以看出双腔串联附壁射流无阀压电微泵在高雷诺数,低频率的工况下性能更优。
【学位单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TH38
【部分图文】：

图 1.1 压电泵的分类Fig. 1.1 The classification of micropump1.2.2 典型无阀压电泵的工作原理无阀压电泵主要是采用特殊结构的流道来引导流体进行单向运动，因此相于有阀压电泵它具有两个明显的优势：首先是它没有运动部件阀门，能够有效避免阀片磨损或者故障带来的流道堵塞，功能失效的问题；其次由于压电泵本的结构尺寸就相对较小，因此内部阀片的加工制造更加复杂，无阀压电泵就不在此类问题，无阀结构使得压电泵的整体变得简单紧凑，大大降低了加工制造度。但是无阀压电泵也存在着一些短板，它主要利用特殊的流道结构来产生流差，使得从出口排出的流量大于从出口吸入的流量从而产生净流量，所以在整工作周期里面很难实现连续出流，一般情况下它的工作效率也较低。

江 苏 大 学 硕 士 学 位 论 文入过程：压电振子在交变的激励信号作用下向上运动时，部压强降低，在压电泵的进出口与外部形成压差，同时从进而由于锥形管特殊的流道结构，从扩散方向吸入的流阻小于阻，因此有更多的流体从扩散方向吸入，即进口管吸入的出过程：压电振子在交变的激励信号作用下向下运动时，部压强增加，在压电泵的进出口与外部形成压差，同时从进由于锥形管特殊的流道结构，从扩散方向排出的流阻小于从，因此有更多的流体从扩散方向排出，即出口管排出的流上两个过程，吸入阶段从进口管吸入更多的流体，排出阶段流体，两个阶段形成了净流量差，在一个工作周期中无阀压进口向出口的定向输送。

1992 年德国人 Richter 首次提出采用无阀的结构作为新型微泵的设计思路并发表了相关的专利[27]。第二年瑞典 Chalmers 大学的 Stemme 等人就研制出了最初的扩散/收缩管无阀压电微泵[28]，该泵的创新之处在于它摒弃了传统压电泵的阀体部件，利用锥形管代替移动部件阀门。该微泵的结构图和试验样泵图如图1.3 所示，泵体的制作材料为铜，该泵的驱动部件是直径为 16mm 的压电振子，微泵腔体直径为 19mm，腔体深度为 200μm，锥形管元件的最小尺寸宽度为230μm，两个按相反方向布置的锥形管起到了单向阀的作用，利用流体从不同方向流入/流出锥形管时流阻不同的原理，该无阀压电微泵成功实现了流体的单向输送。该无阀压电微泵的工作性能也是十分出色，试验结果显示当驱动电压为20vpp，驱动频率为 110 Hz，该泵的背压最大可以达到 2m 水柱，且在相同电压下频率提高到 300Hz 时，该泵的最大流量为 16ml/min。
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本文编号：2847385