本文關(guān)鍵詞：平面擴(kuò)散收縮管無閥壓電泵內(nèi)部流場瞬態(tài)特性理論分析及實(shí)驗(yàn)研究

  更多相關(guān)文章： 擴(kuò)散收縮管壓電微泵 振子位移 微泵效率 漩渦 流場顯示

【摘要】：壓電微泵是微流體系統(tǒng)中的核心部件,可以廣泛的應(yīng)用于化學(xué)分析、藥物輸送、芯片冷卻等領(lǐng)域,在近二三十年得到了飛速發(fā)展。本文主要對擴(kuò)散收縮管無閥壓電泵及擴(kuò)散收縮元件進(jìn)行了數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究。將影響微泵性能的參數(shù)分為驅(qū)動(dòng)參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)兩大類。選擇泵腔體積變化率、激勵(lì)頻率和擴(kuò)散角度為變量,探索影響微泵效率的內(nèi)部因素。首先通過激光測振儀得到微泵運(yùn)行時(shí)壓電振子的振動(dòng)位移,并與Bu等人提出的位移模型進(jìn)行比較,發(fā)現(xiàn)模型具有較高的準(zhǔn)確性,為數(shù)值模擬提供了可靠的邊界條件。實(shí)驗(yàn)與模擬的對比證明數(shù)值模擬具有很高的可靠性,也為微尺度流動(dòng)下轉(zhuǎn)捩點(diǎn)提前的推論提供依據(jù)。利用數(shù)值模擬對擴(kuò)散角5°~60°,壓電振子位移為0.5~80μm,激勵(lì)頻率為10~5000Hz情況的微泵進(jìn)行研究。利用統(tǒng)計(jì)方法對微泵內(nèi)的漩渦位置和持續(xù)時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,揭示了各變量對微泵效率產(chǎn)生影響的內(nèi)在因素。激勵(lì)頻率為100~1000Hz時(shí)微泵效率隨著頻率的增大而增大是因?yàn)槟鎵禾荻犬a(chǎn)生的漩渦在吸入階段堵塞了流管。通過流管穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)臺對低雷諾數(shù)下擴(kuò)散角為20°、40°和60°的流管進(jìn)行了研究。成功利用高速數(shù)碼相機(jī)捕捉到流管內(nèi)的速度分布,發(fā)現(xiàn)擴(kuò)散角為20°的流管錐管效率達(dá)到最大值時(shí)沒有邊界層分離現(xiàn)象發(fā)生,而擴(kuò)散角為40°和60°的流管錐管效率達(dá)到最大值時(shí)壁面兩側(cè)存在漩渦。利用數(shù)值模擬對擴(kuò)散角5°~60°,雷諾數(shù)為100~1500,頻率為0~5000Hz情況下流管的錐管效率進(jìn)行研究。定常情況下,定義了最優(yōu)擴(kuò)散角,并推測最優(yōu)擴(kuò)散角是某雷諾數(shù)下不發(fā)生邊界層突然變厚或分離的最大角度。非定常情況下,頻率小于100Hz時(shí)錐管效率幾乎不隨頻率的增大而改變,因此對于流管的分析時(shí)可以用定常研究代替非定常研究(f?Hz100);頻率大于100Hz,雷諾數(shù)為100時(shí),錐管效率隨著頻率的增大持續(xù)降低,雷諾數(shù)為1500時(shí)錐管效率隨著頻率的增大則持續(xù)升高。雷諾數(shù)為700時(shí)錐管效率和流管內(nèi)流動(dòng)現(xiàn)象與微泵研究中保持高度一致,說明很大程度上可以用流管研究代替整泵研究,從而簡化研究對象。
【關(guān)鍵詞】：擴(kuò)散收縮管壓電微泵 振子位移 微泵效率 漩渦 流場顯示
【學(xué)位授予單位】：江蘇大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TH38
【目錄】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第一章 緒論10-22
• 1.1 引言10-11
• 1.2 壓電泵的分類11
• 1.3 擴(kuò)散收縮管無閥壓電泵11-17
• 1.3.1 擴(kuò)散收縮管無閥壓電泵的工作原理11-12
• 1.3.2 擴(kuò)散收縮管無閥壓電泵的研究背景12-17
• 1.4 擴(kuò)散收縮管微泵的研究現(xiàn)狀與不足17-20
• 1.4.1 研究現(xiàn)狀17-19
• 1.4.2 研究進(jìn)展分析19-20
• 1.5 本文研究的主要內(nèi)容20-22
• 第二章 無閥壓電微泵理論基礎(chǔ)22-32
• 2.1 微流動(dòng)理論及常用無量綱數(shù)22-24
• 2.1.1 微流動(dòng)的分類22-23
• 2.1.2 常用的無量綱數(shù)23-24
• 2.2 轉(zhuǎn)捩點(diǎn)的判斷24-26
• 2.3 共振頻率分析26-28
• 2.4 壓力損失系數(shù)及錐管效率28-29
• 2.4.1 壓力損失系數(shù)28-29
• 2.4.2 錐管效率29
• 2.5 凈流量分析和微泵效率29-31
• 2.5.1 凈流量分析29-30
• 2.5.2 微泵效率30-31
• 2.6 本章小結(jié)31-32
• 第三章 微泵及微流管的加工與制造32-40
• 3.1 制作環(huán)境32
• 3.2 薄膜沉積32-33
• 3.3 掩膜版的制作33-34
• 3.4 光刻34-35
• 3.5 刻蝕35
• 3.6 鍵合35-36
• 3.7 硅基微泵與微流管制作流程36-39
• 3.8 本章小結(jié)39-40
• 第四章 平面擴(kuò)散收縮管無閥壓電微泵瞬態(tài)特性實(shí)驗(yàn)及理論分析40-61
• 4.0 共振頻率分析40-42
• 4.1 實(shí)驗(yàn)裝置42-43
• 4.2 數(shù)值模擬43-47
• 4.2.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)43-47
• 4.3 結(jié)果與分析47-59
• 4.3.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論47-49
• 4.3.2 模擬結(jié)果與分析49-59
• 4.4 本章小結(jié)59-61
• 第五章 平面擴(kuò)散收縮管內(nèi)部流場數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究61-77
• 5.1 錐管效率對微泵效率的影響61
• 5.2 實(shí)驗(yàn)裝置61-63
• 5.3 數(shù)值模擬63-64
• 5.3.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)63
• 5.3.2 網(wǎng)格無關(guān)化分析及參數(shù)設(shè)置63-64
• 5.4 結(jié)果與分析64-75
• 5.4.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論64-65
• 5.4.2 模擬結(jié)果與分析65-75
• 5.5 本章小結(jié)75-77
• 第六章 總結(jié)與展望77-80
• 6.1 本文工作77-78
• 6.2 展望78-80
• 參考文獻(xiàn)80-88
• 致謝88-89
• 攻讀碩士期間發(fā)表論文情況89

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