【摘要】：無閥壓電微泵作為微流控系統(tǒng)中的一種重要動力源,是利用壓電陶瓷的逆壓電效應驅動泵腔流體作往復運動,通過特殊結構的流道實現(xiàn)流體的定向輸送。在眾多領域有著廣闊的應用前景。目前無閥壓電微泵的研制過程主要集中在驅動機理和加工方法的討論,而傳統(tǒng)的實驗研究不能提前預測其輸出特性,且難以獲知微泵內(nèi)部流體的瞬態(tài)流動特性�，F(xiàn)階段的數(shù)值模擬方法大都局限于單一域,未考慮多物理場的耦合效應。本文通過動力學耦合建模理論分析,多物理場全耦合數(shù)值模擬和實驗相結合的方法,對壓電—固體—流體三場耦合作用下的無閥壓電微泵展開研究,主要包括以下幾部分的內(nèi)容:基于彈性力學薄板小撓度理論對簡化雙層結構的壓電驅動器進行動力學建模,推導其振動位移方程,得到沿半徑方向的位移分布。對壓電驅動器進行電-固耦合模擬,對其進行模態(tài)分析,得到其一階固有頻率。對其進行瞬態(tài)動力學分析,得到中心點位移隨時間呈正弦波動,驅動頻率在200Hz以下的壓電驅動器中心點最大位移與電壓幅值成正比。利用激光測振儀對壓電驅動器進行了位移測量實驗,驗證動力學建模和耦合模擬的準確性。綜合考慮壓電—固體—流體基于微流體力學,分析了流體在擴散/收縮管內(nèi)的流動特性,通過平均速度和平均位移建立整泵的動力學模型,推導出擴散/收縮管型無閥壓電微泵的輸出特性方程和諧振頻率,能更完整地反映整個微泵的工作過程,為無閥壓電微泵的多物場耦合研究提供了新思路。通過多物理場耦合分析軟件COMSOL Multiphysics對擴散/收縮管型無閥壓電微泵進行三維結構下耦合模擬分析,建立了無閥壓電微泵的電—固—液耦合仿真模型,包括壓電驅動器的域內(nèi)耦合和雙向流固耦合。更加全面地分析耦合效應下壓電驅動器的服役特性以及流體輸送機理。對不同擴散角度的無閥壓電微泵進行試驗,試驗結果表明,微泵輸出流量隨著驅動電壓的增大而增大,不同結構的擴散/收縮管型無閥壓電微泵對應不同的最佳工作頻率,對于長寬比為15,喉部尺度為200μm的擴散/收縮管型無閥壓電微泵,最佳工作頻率范圍為75—100Hz。最佳工作頻率隨著擴散角的增大而減小。驅動電壓頻域在25-150Hz,幅值在50-150Vpp下的最優(yōu)擴散角度為10°。
【學位授予單位】：江蘇大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TH38
【圖文】：

圖 1.1 壓電泵分類Fig. 1.1 The classification of the piezoelectric micropumps電微泵的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

江 蘇 大 學 碩 士 學 位 論 文3該泵的結構圖和實物圖如圖1.2所示。圖 1.2 擴散/收縮管無閥壓電微泵結構圖及實物圖Fig. 1.2 The structure and pictures of the piezoelectric micropump with diffuser/nozzle tube1995 年，德國 T.Gerlach 等人[33]首次研制出硅基擴散收縮管無閥壓電泵，如圖 1.3 所示，使用刻蝕工藝為各向異性濕法，在硅片上刻蝕出所需要的腔體和流道。硅基微泵的誕生使得無閥壓電微泵的特征尺寸進入到微米級別，對其微型化、集成化發(fā)展作出巨大貢獻。圖 1.3 硅基無閥壓電微泵結構示意圖Fig. 1.3 Schematic diagram of the valveless piezoelectric micropump based on silicon同年，F(xiàn)orster 等將 Tesla 管應用到無閥壓電泵的設計制造中[34]，以此來獲得更大的正方向流阻差，Tesla 管結構如圖 1.4 所示

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本文編號：2714913