阻块式附壁射流无阀压电微泵的瞬态性能研究

摘要

压电泵作为微电子机械系统中最常用的核心驱动元件和执行元件，在微量化学分析，高精密喷墨打印，芯片冷却等领域均有广阔的应用前景。传统的扩散收缩管无阀压电微泵虽然避免了有阀结构的先天性缺陷，但也存在输出效率低不能连续出流的缺点，因此研发基于其他工作原理的新型微泵成为近年来研究热点之一。本文提出了一种基于附壁射流理论的阻块式无阀压电微泵，该泵不仅结构简单，有利于微型化和加工，而且可实现大流量出流的目标，容积效率可高到50%以上。本文的主要研究内容和结论如下： 1. 基于附壁射流理论，首次利用半圆柱与三棱柱构成的阻块诱导射流附壁，从而提出一种可高效大流量出流的无阀压电微泵。在驱动频率(f) 25Hz~125Hz和电压幅值(V) 50vpp~300vpp范围内，对不同泵腔大小(Rc)，长宽比(L1/d)以及扩散角(θ)下的微泵性能进行试验研究。结果表明：当频率不变时，净流量随着电压幅值的增加而增加；当V=200vpp时，微泵净流量随着频率的增加先增加后减小，但不同泵腔大小下净流量最优值对应的频率不同；在长宽比4~8，扩散角30°~45°范围内，当 f=50Hz ， V=300vpp ，阻块式附壁射流无阀压电泵的净流量高达4.84ml/min，出口背压最大为1.75kpa。 2. 通过大量的数值模拟，探究了驱动参数（雷诺数 300~1000，驱动频率5Hz~400Hz）和结构参数（阻块半径，劈结构，扩散角，长宽比，进出口流道宽度比）对微泵性能的影响。与试验结果相比，数值模拟结果误差不超过15.5%，具有较高的可靠性。模拟结果表明：微泵效率随着阻块半径的增大先增大后减小，阻块半径为 0.2mm 时微泵性能较优；当进出口流道之间通过尖劈或者圆劈连接时微泵效率均低于无劈结构下的微泵效率；在扩散角15°~75°范围内，微泵效率随着扩散角的增大而增大；随着长宽比和进出口流道宽度比的增加，微泵效率均先上升后下降，在这两个变量区间内存在高效区。此外，在 θ=30°，b1/b2=1 且L1/d为3~9的条件下，研究发现当雷诺数不变时，不同长宽比下的微泵效率均随着频率的增大先增大后下降，且雷诺数分别为300，600，1000时，对应的最优频率依次在50Hz, 150Hz，250Hz左右；通过内流场速度矢量图，流线图以及涡量图的分析，发现射流附壁后产生的漩涡在排出和吸入过程的不同作用对微泵性能起到关键作用。 3. 在上述最优激励参数条件下，通过响应面法(response surface methodology, RSM)对长宽比与进出口流道宽度比两因素进行详细分析。结果发现随着雷诺数的变大，两因素的最优选择范围逐渐减小，但微泵整体性能不断提高。当Re=1000，f=250Hz时，最优L1/d与b1/b2分别为8.742和0.758，此时效率高达94.93%。

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20180613032745811

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