附壁射流无阀压电微泵流固耦合建模

摘要

为解决压电微泵流固耦合问题，准确预测其性能，提出了一种针对附壁射流无阀压电微泵的流固耦合模型。
　　提出了带有流体压力载荷项的双层结构振子振动模型。依据弹性薄板小挠度弯曲理论，考虑到振子压电陶瓷-弹性基板双层结构，推导出了带有流体压力载荷项的双层结构振子振动模型，并利用叠加原理将非齐次高阶振动方程拆分为齐次贝塞尔方程和非齐次静态方程分别进行求解，得到了振子在电压驱动和流体压力载荷下的振子振幅及振子本身无径向、周向节线的一阶固有频率。对空载压电振子进行了激光测振试验，并将试验结果与模型预测结果进行了对比。
　　利用阳极键合封装技术制作了硅基的附壁射流无阀压电微泵。理论分析了该微泵的基本原理。利用数值模拟方法对该微泵流场进行计算，详细分析了该微泵的工作原理、工作过程以及附壁射流元件锥管角度、雷诺数、频率等对微泵输出性能及内流特性的影响。搭建高速数码摄像试验台，测量了样泵进出口瞬时流量，并将试验结果与数值模拟结果进行了对比。结果表明该微泵利用附壁效应造成的不对称排出实现了流体定向泵送，微泵一周期内存在吸入、未完全附壁和完全附壁三种工作状态。泵腔射流是否完全附壁是影响微泵输出性能的重要因素。适中的锥管角度（30°到45°）、高雷诺数和低频率均有利于射流附壁。泵腔射流完全附壁情况下，该微泵容积效率可能突破50％；
　　提出了附壁射流元件内流体瞬态流动模型。用非定常伯努利方程描述微泵内流体的能量，提出了含有非定常项的水头损失形式和损失系数。根据数值模拟结果提出了未完全附壁状态进口瞬时流量线性变化假设和完全附壁状态下卷吸流量线性变化假设，并确定了相应系数。结合连续性方程和非定常伯努利方程，提出了附壁射流元件内流体瞬态流动模型，数值模拟结果表明该流体瞬态流动模型能够准确估计泵腔压力；
　　提出了附壁射流无阀压电微泵流固耦合模型，对样泵性能进行了预测并与试验结果进行了对比。对流固耦合模型进行了迭代求解，讨论了方程组解的收敛过程，提出了相应的无量纲残差和阈值。利用流固耦合模型对微泵性能进行了预测，计算了压电振子在湿模态下的一阶无径向或周向节线的固有频率，并对该微泵特定工况下的瞬时压力、泵腔流量、出口流量进行了预测。结果显示微泵最大流量频率滞后于振子湿模态无径向节线或周向节线的固有频率。搭建微泵外特性测量试验台和激光测振试验台，对样泵的输出流量和最大振幅等进行了测量，并与模型预测结果进行了对比。结果表明该流固耦合模型能够较准确地预测振子一阶湿模态固有频率附近的附壁射流无阀压电微泵性能。