超声行波微流体驱动理论与技术研究

发布时间：2022-12-10 13:32

　　微流体的驱动与控制是微型全分析系统（Micro total analysis systems,μ-TAS）的关键技术。利用超声行波实现微流体驱动是一种新的微流体驱动技术,与其他机械与非机械驱动技术相比,它不需要压力室,也不需要微阀,易集成、可靠性高；流量与流向的控制灵活；能够产生与传统压力流不同的流型,用于芯片微流体散热,接近热源的流体流速高,可提高热扩散效率；利于小型化,用于药物释放可以植入体内,对于只有纳升用量的给定有独到的优势。 超声行波驱动下的微沟道壁振动及微流体流动情况比较复杂,影响系统的因素较多。前期研究中,流体驱动力究竟是以蠕动摩擦力还是以声流、声辐射力为主以及各因素的作用边界一直未有定论,超声行波驱动下的微流体形态以及基于此原理的驱动装置研究不足。鉴于此,论文对超声行波微流体驱动这种新型的驱动技术进行了较全面的研究。研究了不同驱动模型下的行波产生方法,对超声行波微流体驱动中的三种驱动力：蠕动摩擦力、声流驱动力和声辐射力进行了分析。在此基础上,针对圆环模型的流固耦合问题进行了研究,.明确了超声行波条件下声流是主要的微流体驱动因素；设计了一种H型声流泵,基于边界层声流... 

【文章页数】：145 页

【学位级别】：博士

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目录
CONTENTS
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
    1.1 引言
    1.2 微流体驱动技术的基本分类
        1.2.1 机械式
        1.2.2 非机械式
    1.3 超声行波相关驱动技术研究现状
        1.3.1 宏观流体的蠕动传输
        1.3.2 扩张/收缩管型压电微泵
        1.3.3 电渗与行波电渗驱动
        1.3.4 声流驱动
        1.3.5 行波驱动
    1.4 课题来源
    1.5 研究内容
第二章 超声行波驱动机理研究
    2.1 引言
    2.2 压电分析
        2.2.1 压电效应与逆压电效应
        2.2.2 压电方程
        2.2.3 振动模态
    2.3 行波产生
        2.3.1 圆环驱动模型
        2.3.2 直管驱动模型
    2.4 蠕动摩擦力
    2.5 声流驱动力
    2.6 声辐射力
        2.6.1 固定声源
        2.6.2 行波声场
    2.7 微流场的求解
    2.8 小结
第三章 圆环模型的流固耦合分析
    3.1 引言
    3.2 流固耦合数值分析方法
        3.2.1 有限元分析
        3.2.2 压电陶瓷有限元模型
        3.2.3 基于ANSYS-CFX的流固耦合分析
    3.3 模型与驱动机理
        3.3.1 模型
        3.3.2 驱动原理
    3.4 模态分析与谐响应分析
        3.4.1 模态分析
        3.4.2 谐响应分析
    3.5 行波分析
    3.6 流场分析
        3.6.1 瞬时速度与平均速度
        3.6.2 驱动信号对流动的影响
        3.6.3 流体粘度对流动的影响
        3.6.4 耦合面结构对流动的影响
    3.7 小结
第四章 H型声流泵的声流分析
    4.1 引言
    4.2 声固耦合数值分析方法
        4.2.1 无衰减有限元声波方程
        4.2.2 衰减有限元声波方程
        4.2.3 声固耦合有限元方程
    4.3 声流分析方法
        4.3.1 Nyborg力分析法
        4.3.2 直接流分析法
    4.4 声流泵模型与设置
    4.5 超声流微泵的特性分析
        4.5.1 瞬时速度场
        4.5.2 声流速度场
        4.5.3 出口平均速度与振动位移的关系
        4.5.4 出口平均速度与驱动频率的关系
        4.5.5 出口平均速度与粘度的关系
        4.5.6 出口平均速度与背压的关系
    4.6 小结
第五章 反射型声流泵悬浮微粒驱动研究
    5.1 引言
    5.2 悬浮微粒的受力
        5.2.1 拖曳力
        5.2.2 重力
        5.2.3 声泳力
        5.2.4 热泳力
        5.2.5 流体-微粒耦合作用
    5.3 模型与设置
        5.3.1 分析模型
        5.3.2 模型设置
        5.3.3 驱动机理
    5.4 驱动效果
        5.4.1 模态分析
        5.4.2 振动位移
        5.4.3 声场与瞬时声强度
        5.4.4 声流速度
        5.4.5 悬浮微粒驱动
    5.5 小结
第六章 总结与展望
    6.1 研究总结
    6.2 工作展望
参考文献
攻读学位期间发表的学术论文、申请的专利及参与的科研项目
    发表的学术论文
    申请的专利
    参与的科研项目
致谢
外文论文
学位论文评闽及答辩情况表


【参考文献】：
期刊论文
[1]部分国家/地区支持推动MEMS发展的举措[J]. 万勇,潘懿,黄健.  现代制造工程. 2012(05)
[2]不对称柔性壁管道内幂律流体蠕动传输的精确解[J]. T·哈亚特,M·贾佛德,黄绍红.  应用数学和力学. 2010(10)
[3]超声行波微流体驱动圆环模型分析[J]. 陈炜,魏守水,吴浩,张丹丹.  压电与声光. 2010(04)
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[5]超声微流混合器内流场试验[J]. 魏守水,姜春香,邹楠,WERELEY Steve T.  机械工程学报. 2009(12)
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[7]微流体装置中超声流的研究[J]. 孙宏明,郭航.  传感技术学报. 2008(03)
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博士论文
[1]微流体的电渗驱动及其相关技术的研究[D]. 杨胡坤.哈尔滨工业大学 2008
[2]液体媒质超声波电机有限元分析及运行特性研究[D]. 李斌.天津大学 2006
[3]行波型超声波电机的模型仿真与试验研究[D]. 徐志科.东南大学 2005

硕士论文
[1]铝合金超声凝固溶池流场数值模拟及试验研究[D]. 谢恩华.中南大学 2009
[2]超声行波微流体驱动的基础研究和有限元分析[D]. 邹楠.山东大学 2008
[3]超声行波微流体驱动模型的动力学分析及声固耦合分析[D]. 姜春香.山东大学 2008



本文编号：3716838