平面扩散收缩管无阀压电泵内部流场瞬态特性理论分析及实验研究

发布时间：2017-07-04 06:15

  本文关键词：平面扩散收缩管无阀压电泵内部流场瞬态特性理论分析及实验研究

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【摘要】：压电微泵是微流体系统中的核心部件,可以广泛的应用于化学分析、药物输送、芯片冷却等领域,在近二三十年得到了飞速发展。本文主要对扩散收缩管无阀压电泵及扩散收缩元件进行了数值模拟和实验研究。将影响微泵性能的参数分为驱动参数和结构参数两大类。选择泵腔体积变化率、激励频率和扩散角度为变量,探索影响微泵效率的内部因素。首先通过激光测振仪得到微泵运行时压电振子的振动位移,并与Bu等人提出的位移模型进行比较,发现模型具有较高的准确性,为数值模拟提供了可靠的边界条件。实验与模拟的对比证明数值模拟具有很高的可靠性,也为微尺度流动下转捩点提前的推论提供依据。利用数值模拟对扩散角5°~60°,压电振子位移为0.5~80μm,激励频率为10~5000Hz情况的微泵进行研究。利用统计方法对微泵内的漩涡位置和持续时间进行统计分析,揭示了各变量对微泵效率产生影响的内在因素。激励频率为100~1000Hz时微泵效率随着频率的增大而增大是因为逆压梯度产生的漩涡在吸入阶段堵塞了流管。通过流管稳态试验台对低雷诺数下扩散角为20°、40°和60°的流管进行了研究。成功利用高速数码相机捕捉到流管内的速度分布,发现扩散角为20°的流管锥管效率达到最大值时没有边界层分离现象发生,而扩散角为40°和60°的流管锥管效率达到最大值时壁面两侧存在漩涡。利用数值模拟对扩散角5°~60°,雷诺数为100~1500,频率为0~5000Hz情况下流管的锥管效率进行研究。定常情况下,定义了最优扩散角,并推测最优扩散角是某雷诺数下不发生边界层突然变厚或分离的最大角度。非定常情况下,频率小于100Hz时锥管效率几乎不随频率的增大而改变,因此对于流管的分析时可以用定常研究代替非定常研究(f?Hz100);频率大于100Hz,雷诺数为100时,锥管效率随着频率的增大持续降低,雷诺数为1500时锥管效率随着频率的增大则持续升高。雷诺数为700时锥管效率和流管内流动现象与微泵研究中保持高度一致,说明很大程度上可以用流管研究代替整泵研究,从而简化研究对象。
【关键词】：扩散收缩管压电微泵 振子位移 微泵效率 漩涡 流场显示
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH38
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第一章 绪论10-22
• 1.1 引言10-11
• 1.2 压电泵的分类11
• 1.3 扩散收缩管无阀压电泵11-17
• 1.3.1 扩散收缩管无阀压电泵的工作原理11-12
• 1.3.2 扩散收缩管无阀压电泵的研究背景12-17
• 1.4 扩散收缩管微泵的研究现状与不足17-20
• 1.4.1 研究现状17-19
• 1.4.2 研究进展分析19-20
• 1.5 本文研究的主要内容20-22
• 第二章 无阀压电微泵理论基础22-32
• 2.1 微流动理论及常用无量纲数22-24
• 2.1.1 微流动的分类22-23
• 2.1.2 常用的无量纲数23-24
• 2.2 转捩点的判断24-26
• 2.3 共振频率分析26-28
• 2.4 压力损失系数及锥管效率28-29
• 2.4.1 压力损失系数28-29
• 2.4.2 锥管效率29
• 2.5 净流量分析和微泵效率29-31
• 2.5.1 净流量分析29-30
• 2.5.2 微泵效率30-31
• 2.6 本章小结31-32
• 第三章 微泵及微流管的加工与制造32-40
• 3.1 制作环境32
• 3.2 薄膜沉积32-33
• 3.3 掩膜版的制作33-34
• 3.4 光刻34-35
• 3.5 刻蚀35
• 3.6 键合35-36
• 3.7 硅基微泵与微流管制作流程36-39
• 3.8 本章小结39-40
• 第四章 平面扩散收缩管无阀压电微泵瞬态特性实验及理论分析40-61
• 4.0 共振频率分析40-42
• 4.1 实验装置42-43
• 4.2 数值模拟43-47
• 4.2.1 结构参数43-47
• 4.3 结果与分析47-59
• 4.3.1 实验结果与讨论47-49
• 4.3.2 模拟结果与分析49-59
• 4.4 本章小结59-61
• 第五章 平面扩散收缩管内部流场数值模拟与实验研究61-77
• 5.1 锥管效率对微泵效率的影响61
• 5.2 实验装置61-63
• 5.3 数值模拟63-64
• 5.3.1 结构参数63
• 5.3.2 网格无关化分析及参数设置63-64
• 5.4 结果与分析64-75
• 5.4.1 实验结果与讨论64-65
• 5.4.2 模拟结果与分析65-75
• 5.5 本章小结75-77
• 第六章 总结与展望77-80
• 6.1 本文工作77-78
• 6.2 展望78-80
• 参考文献80-88
• 致谢88-89
• 攻读硕士期间发表论文情况89

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本文编号：516674