基于数值模拟的平面锥管无阀压电泵的非稳态特性研究

摘要

微流体系统的广泛研究促进了微电子机械系统(MEMS)的迅速发展，微型泵是微流体系统重要的驱动部件，其发展水平直接影响到微机电系统的整体性能。在机械式微泵中，压电泵具有结构简单、体积小、重量轻、耗能低、无电磁干扰、可集成度高、易于实现微型化等优点，被广泛应用于生物工程、医疗器械、化学分析、水冷系统、环境检测等领域。
　　随着微流体技术的不断发展，平面锥管无阀压电泵凭借其独特的优势正逐渐成为研究的热点。为了探讨影响平面锥管无阀压电泵输出性能的因素及内部流场特征，本文主要在以下几个方面展开具体的工作:
　　1.对扩散/收缩管无阀压电泵的研究现状进行了总结概括，介绍了无阀压电泵的工作原理及过程，分别在稳态与非稳态流动情况下对无阀压电泵用扩散/收缩管内的流动特性进行了理论分析，获得了衡量锥管性能的两个关键参数:压力损失系数和锥管效率，得到了扩散/收缩管无阀压电泵的整流效率公式。
　　2.利用CFX软件在不同压力幅值、不同驱动频率下对不同角度平面锥管内流动的非稳态特性进行了数值模拟，分析了影响平面锥管输出性能的因素，研究了平面锥管内漩涡的运动变化及发展情况。结果表明:非稳态流动情况下流量变化相对于压力变化存在滞后性，二者之间有一个相位差，且Wo数越大，压力幅值越小，此相位差越大;频率较高(10Hz～500Hz)时，在较低压力幅值(500、1000Pa)下，净流量先随Wo数的增大而减小，之后有小幅递增，较高压力幅值(5000Pa)下，净流量随Wo数的增大而减小;频率较低(0.05Hz～10Hz)时，净流量随Wo数的增大而减小;锥管扩散和收缩方向的压力损失系数随Wo数的增大而增大，随压力幅值和锥角的增大而减小;平面锥管内流动分离产生的漩涡运动增加了流管流阻，且漩涡运动的持续时间越长，通过锥管的净流量越小。
　　3.建立了平面锥管无阀压电泵模型，运用动网格技术对其进行了三维动态数值模拟，分析了影响平面锥管无阀压电泵输出性能的因素，结果表明:平面锥管无阀压电泵的输出流量和效率随锥管长度和最小截面宽度的增大而增大;角度为10°锥管无阀压电泵的流量大于角度为5°和20°，而泵腔半径对压电泵的流量和效率几乎无影响;压电泵流量随振子振幅和频率的增大而显著增大。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 微型泵

1．3 压电泵

1．3．1 压电泵的分类

1．3．2 压电泵的研究现状

1．4 扩散／收缩管

1．4．1 扩散／收缩管无阀压电泵稳态特性的研究现状

1．4．2 扩散／收缩管无阀压电泵非稳态特性的研究现状

1．5 压电泵的应用

1．6 锥管无阀压电泵的发展趋势及研究的不足

1．7 本文研究的主要内容

第二章 微尺度流动理论基础

2．1 微尺度流动及划分

2．1．1 微尺度流动

2．1．2 微尺度流动的划分

2．2 微尺度流动的特殊效应

2．2．1 表面优势效应

2．2．2 低雷诺数效应

2．2．3 梯度参数效应

2．2．4 多尺度多物态效应

2．2．5 进出口效应

2．3 影响微尺度流动的主要因素

2．3．1 表面力的影响

2．3．2 表面相对粗糙度的影响

2．3．3 流体粘性的影响

2．3．4 气泡的影响

2．4 微流动中的关键参数

2．4．1 雷诺数(Reynolds)

2．4．2 沃姆斯赖数(Womersley)

2．4．3 克努森数(Knudsen)

2．5 微流动基本方程

2．6 本章小结

第三章 无阀压电泵流动理论

3．1 无阀压电泵的工作原理

3．2 扩散／收缩管的稳态流动特性分析

3．2．1 沿程损失和局部损失

3．2．2 压力损失系数

3．2．3 锥管效率

3．3 管道内流体流动的非稳态特性理论分析

3．4 扩散／收缩管的非稳态流动特性分析

3．4．1 压力损失系数

3．4．2 扩散／收缩管净流量

3．4．3 无阀压电泵的流量及效率

3．5 本章小节

第四章 无阀压电泵用平面锥管的数值分析

4．1 边界层

4．1．1 边界层的定义

4．1．2 边界层分离

4．2 层流-湍流过渡

4．3 平面锥管稳态与非稳态数值模拟

4．3．1 平面锥管结构及参数选取

4．3．2 流动模型及边界条件设定

4．3．3 网格的无关性分析

4．3．4 数值计算结果及分析

4．4 本章小节

第五章 平面锥管无阀压电泵的数值分析

5．1 平面锥管无阀压电泵结构

5．2 压电振子及工作原理

5．2．1 压电效应

5．2．2 复合压电振子及工作原理

5．2．3 压电振子位移理论分析

5．3 无阀压电泵的数值分析

5．3．1 计算模型建立

5．3．2 边界条件

5．3．3 流动模型的选择

5．3．4 计算结果及分析

5．4 本章小节

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