压电式合成射流微泵内瞬变流动研究

发布时间：2020-11-18 20:31

　　随着信息时代的到来,集成化、微型化成为了众多行业和领域的发展趋势。压电泵作为微流体系统中的关键驱动部件一直备受关注,依靠本领域研究人员的努力以及微机电系统的迅速发展,目前正日趋成熟。但压电泵依然存在着一些严重的不足,如有阀压电泵本身阀结构的存在很大程度上就限制了其应用,而传统无阀压电泵无法连续出流且流量较低。为此,本文提出了一种压电驱动型合成射流微泵,兼具结构简单易于微型化集成化、大流量低脉动连续输出的优点。为了对这种新型微泵进行深入研究,主要进行了以下几方面的研究工作:1)对微流体系统中关键驱动部件微泵进行了分类和总结,归纳了各自的工作原理及优缺点,结论是基于合成射流的无阀微泵具有其特殊优势,但目前研究较少,且集中于气体介质下的外特性研究。2)提出了一种用于输送液体的新型微泵,描述了其运行原理。对驱动部件压电振子进行了理论分析,并使用参数化设计语言对选用的压电振子进行了仿真。结果表明振子中心处位移最大,沿半径方向呈近似抛物线型;其余因素相同情况下激励电压越大,振子位移越大。3)利用数值模拟的方法来仿真微泵的运行。使用SST湍流模型进行计算并与其他研究者的实验数据进行对比发现是可靠的。选定合理的模拟设置并进行了计算,发现这种微泵的运行情况与合成射流理论相符合,内流场符合合成射流特征,且能够大流量连续出流,这进一步验证了数值模拟方法的可靠性。接着探究了各项关键参数对微泵外特性的影响,并利用对内流场的详细分析得出了其中的影响机理。分析仿真结果发现喷管长度对微泵外特性影响很小;在合成射流腔出口宽度设置为15Da,雷诺数为1000时,长度设置为30Da时流量最大为5.954ml/min;当长度为40Da,雷诺数为500和1000时,出口宽度设置为15Da流量最大,而当雷诺数大于1000后,出口为8Da时流量最大;雷诺数为500时流量随频率的上升而下降,其余雷诺数下,流量都呈先上升后下降的趋势。4)利用合成射流腔足够大的激励器进行流场预测。结果表明,Re为1000,频率为100Hz时,射流能量在距中心点60Da附近耗散完毕,所以合成射流腔的长度应该小于此长度。各时刻的速度于50Da距离上趋于一致,说明长度设置为50Da能够保证出流的稳定。对距中心点不同距离的点沿径向作一周期内的速度统计,将出口宽度设置为等于速度归零点,这样能保证一个周期内都不出现倒吸从而达到良好的性能。对这种方法进行了验证,仿真结果表明这种方法具有可参考性。
【学位单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2017
【中图分类】：TH38
【文章目录】：
摘要
Abstract
第一章绪论
    1.1 引言
    1.2 微泵
    1.3 压电泵
        1.3.1 压电泵工作原理
        1.3.2 无阀压电泵国内外研究现状
    1.4 压电泵的应用
    1.5 压电式合成射流微泵的研究必要性
    1.6 本文研究内容
        1.6.1 课题的来源与介绍
        1.6.2 本文主要内容
第二章合成射流理论
    2.1 合成射流工作原理
    2.2 合成射流激励器
    2.3 合成射流形成条件
    2.4 合成射流特征
    2.5 本章小结
第三章压电式合成射流微泵的基础理论
    3.1 微流动
        3.1.1 微流动定义
        3.1.2 流动尺度
    3.2 压电振子理论基础
        3.2.1 压电振子的模型
        3.2.2 振子的位移表达式
        3.2.3 压电振子的仿真
        3.2.4 APDL的模拟结果
    3.3 结构与原理
        3.3.1 压电式合成射流微泵结构及工作原理
        3.3.2 容积效率计算
    3.4 本章小结
第四章压电式合成射流微泵的内流场与性能研究
    4.1 数值模拟
        4.1.1 控制方程
        4.1.2 网格的划分
        4.1.3 数值模拟求解设置
        4.1.4 边界条件设置
        4.1.5 周期数设置
        4.1.6 时间步长设置
        4.1.7 模拟方法可靠性的验证
    4.2 结果与分析
        4.2.1 微泵运行分析
        4.2.2 喷管长度对微泵性能的影响
        4.2.3 合成射流腔长度对微泵性能的影响
        4.2.4 出口宽度对微泵性能的影响
        4.2.5 频率对微泵性能的影响
    4.3 本章小结
第五章压电式合成射流微泵关键尺寸的确定方法
    5.1 确定关键尺寸的思路
    5.2 合成射流腔长度的选择
    5.3 出口宽度的选择
    5.4 本章小结
第六章总结与展望
    6.1 总结
    6.2 展望
参考文献
致谢
攻读硕士期间研究成果

【参考文献】

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