三通全扩散/收缩管双腔双振子无阀压电泵性能研究

摘要

在微流控系统中，微泵(Micropump)是驱动流体克服阻力产生流动的执行器件，是实现微流控系统的前提和基础，微泵的性能好坏直接影响到微流控分析系统的整体性能，也是决定微流控技术发展水平的关键因素。
　　 无阀压电泵利用特殊流管正反向流阻性能不同的特性，实现流体的定向输运。由于其没有阀体结构，因而相比于有阀压电泵响应更快，寿命更长，结构更简单，易于加工以及集成化，且可以输送高分子结构的细胞介质。在航空航天、芯片冷却、医疗器械、生物基因工程等领域具有广泛的应用前景。
　　 针对传统扩散/收缩管无阀压电泵输出流量较低，输出压力不高的缺点，本文具体展开的工作主要有以下几个方面：
　　 1.通过数值模拟方法，对三通全扩散/收缩管进行了压力正交优化设计，得到了三通全扩散/收缩管的最佳结构，并将其流阻性能与传统扩散/收缩管进行对比分析，验证了三通微流管的流阻性能优于传统扩散/收缩管。然后将数值模拟结果与实验对比，证实了数值模拟的可行性。
　　 2.采用流固耦合的数值模拟方法，对三通全扩散/收缩管无阀微泵进行了数值计算，并将结果与实验进行了对比验证。当激励电压幅值为100Vp-p时，在50Hz到175Hz范围内，微泵的流量随着频率的增加而增加，数值模拟与实验的最大误差为12％。当频率为100Hz时，微泵流量随着电压的线性增加。实验结果较好的验证了数值模拟方法的可行性。
　　 3.针对无阀微泵相对有阀微泵流量低，输出压力低的缺点，设计并研究了基于三通全扩散/收缩管的串联结构和并联结构无阀压电泵。通过数值模拟方法，分析了两种结构微泵流量随着振子振动相位差对流量的变化，结果表明串联结构微泵在振子振动相位差为O°时的流量最高，为0.449ml/min；并联结构微泵流量随着振子振动相位差的变化不大，且在()=360°微泵实现了流量的连续输送，流量为0.349ml/min。然后对两种结构微泵的流量背压性能进行了数值计算，分析了两种结构微泵在最佳工况点其流量与背压的关系，并与单腔微泵进行了对比，结果表明串联三通全扩散/收缩管微泵的背压值最大，为2.795kPa。