平面锥管无阀压电微泵内部附壁效应研究

摘要

本课题由国家自然基金项目(51276082)资助。微电子机械系统(MEMS)的快速发展得益于微流体系统的广泛研究，微型泵作为微流体系统重要驱动元件，它的发展水平直接影响到微机电系统整体性能。压电泵是一种结构简单、体积微小、能耗较低、没有电磁干扰、集成度高、便于进行微型化的机械式微泵，广泛应用于医疗器械、生物工程、水冷系统、航空航天、环境检测、化学分析等领域。
　　平面锥管无阀压电微泵随着微流体技术快速发展，凭借其独特的优势迅速成为了科研热点。本文研究了影响平面锥管无阀压电微泵内部附壁效应的因素及附壁效应对无阀压电泵性能的影响，分别对以下三个方面进行了研究：
　　1.对平面锥管无阀压电微泵目前的研究现状进行了梳理分析，阐述了射流原理及附壁效应原理，介绍了无阀压电微泵的驱动机理，分别在稳态流动与非稳态流动状态下对无阀压电微泵用平面锥管内的附壁效应进行了理论研究，分析了平面锥管流阻系数比以及无阀压电泵的泵送效率。
　　2.采用数值计算模拟的方法对平面锥管内部流动附壁效应进行研究，目的在于研究锥管内流体流动中产生的附壁效应对其流阻系数的影响。研究表明:雷诺数Re在300-3000范围内，锥管角度θ在5°-40°之间时，扩散方向流动可以分为三种状态，即平稳流动，附壁状态和全射流状态。锥管角度为10°-35°时，锥管内流动易于发生附壁效应。Re=300/600/900/1200，平稳流动扩散流阻系数随着角度的增大迅速降低;附壁状态扩散流阻系数随着扩散角的增大缓慢增大;全射流状态扩散流阻系数随着扩散角的增大而缓慢降低。Re=1800/2400/3000，附壁状态流扩散阻系数在锥管角度为30°时达到最大值。流阻系数比在平稳流动和全射流状态下基本不变，在附壁状态下随着角度的增大迅速减小。
　　3.对平面锥管无阀压电泵进行三维建模，利用CFX软件对低频范围内(f≤50hz)无阀微泵用平而锥管内部流动进行数值模拟计算，目的在于研究低频下平面锥管内部流动对无阀压电泵特性的影响。平面锥管流阻系数比随频率增加呈近似线性增加。当锥管出口速度V/U比（平面锥管出口纵向和横向速度比）大于0.02时，锥管内流体流动开始发生附壁。同时针对一种泵腔半径R为15mm以及平面锥管扩散角θ为10°的无阀压电泵进行数值模拟。结果显示：平面锥管内流动发生附壁，直接导致微泵泵腔内部出现不对称漩涡，对流体产生扰动，增加流动阻力，阻碍流体流动。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 微泵

1．3 压电泵

1．4 压电泵的国内外研究现状

1．4．1 有阀压电泵研究现状

1．4．2 无阀压电泵研究现状

1．5 压电微泵的应用

1．6 本文研究的内容及意义

第二章 附壁射流理论分析

2．1 射流理论

2．1．1 射流分类

2．1．2 射流的形成

2．1．3 射流的基本关系

2．2 附壁效应的研究和应用

2．2．1 附壁效应的定义

2．2．2 附壁效应的研究

2．2．3 附壁效应的应用

2．3 本章小结

第三章 无阀压电泵理论分析

3．1 无阀压电泵的工作原理

3．2 扩散／收缩管流动特性分析

3．2．1 局部损失与沿程损失

3．2．2 压力损失系数

3．2．3 锥管效率

3．3 扩散／收缩管的非稳态流动特性分析

3．3．1 压力损失系数

3．3．2 扩散／收缩管净流量

3．3．3 无阀压电泵的流量及效率

3．4 本章小结

第四章 无阀压电泵用平面锥管内部附壁效应

4．1 微流动的分类

4．1．1 微尺度流动

4．1．2 微尺度流动的划分

4．2 层流-湍流过渡

4．3 数值模拟方法

4．4 平面锥管内部附壁效应

4．4．1 平面锥管结构及参数选取

4．4．2 网格划分及无关性分析

4．4．3 附壁射流检测

4．4．4 内部流场分析

4．4．5 流阻系数分析

4．4．6 流阻系数比分析

4．5 本章小结

第五章 无阀压电微泵内部附壁效应研究

5．1 无阀压电微泵结构

5．2 无阀压电泵驱动

5．2．1 复合压电振子及工作原理

5．2．2 压电振子位移理论分析

5．3 无阀压电微泵数值分析

5．3．1 建立计算模型

5．3．2 边界条件

5．4 计算结果与分析

5．4．1 无阀压电泵用平面锥管内部紊态流动分析

5．4．2 无阀压电泵内部流动分析

5．5 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

攻读硕士期间发表论文情况