本文選題：無閥壓電聚　切入點(diǎn)：附壁效應(yīng)　出處：《江蘇大學(xué)》2015年博士論文

【摘要】：微流體系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)微量流體的控制、微混合及成分分析等功能,由于其尺寸小、功耗低、響應(yīng)快和精度高等優(yōu)點(diǎn),在化學(xué)分析、生物技術(shù)、微芯片冷卻、微流體供給等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。微泵是微流體系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)元件,根據(jù)應(yīng)用需求的不同,各種原理的微泵被研發(fā)出來。無閥壓電泵無可動(dòng)閥片結(jié)構(gòu),其結(jié)構(gòu)簡單,易于集成化,并且具有功耗低、響應(yīng)快、無電磁干擾等優(yōu)點(diǎn),是微泵研究最為熱點(diǎn)的類型之一。傳統(tǒng)的擴(kuò)散／收縮管無閥壓電泵等雙流管微泵存在流量小、容積效率低的問題。本文首次將附壁效應(yīng)應(yīng)用于無閥壓電泵的研究,流量和容積效率得到大幅提高,還可以通過對附壁射流方向的控制實(shí)現(xiàn)輸送方向的切換。本文的主要研究內(nèi)容和結(jié)論如下：1.分析了常用的三種簡易振子位移模型和Bu等提出的雙層振子位移模型,將其與數(shù)值模擬進(jìn)行對比,結(jié)果表明Bu提出的雙層振子位移模型的位移曲線與數(shù)值模擬幾乎完全重合。當(dāng)壓電陶瓷與彈性基板的半徑比為0.1時(shí),三種簡易振子位移模型的預(yù)測結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果相差很遠(yuǎn)；當(dāng)半徑比為0.5時(shí),均勻載荷圓形薄板和中心載荷圓形薄板模型預(yù)測結(jié)果與數(shù)值模擬較為接近；當(dāng)半徑比為0.9時(shí),拋物線模型預(yù)測結(jié)果與數(shù)值模擬較為接近。應(yīng)用顯微式激光測振儀對壓電振子的振幅進(jìn)行測量,其結(jié)果與Bu等雙層振子位移模型的預(yù)測非常吻合。2.利用非對稱三通管內(nèi)部流動(dòng)的附壁效應(yīng),首次設(shè)計(jì)出一種新型單腔無閥壓電泵。相比擴(kuò)散／收縮管無閥壓電泵或類似原理的壓電泵,其在較低雷諾數(shù)下具有較好的性能。首先通過數(shù)值模擬研究了雷諾數(shù)和振動(dòng)頻率對微泵流量的影響,結(jié)果表明：微泵流量隨著雷諾數(shù)的增加而增長,隨著頻率的增加而降低；容積效率與雷諾數(shù)近似于正比關(guān)系。附壁射流元件內(nèi)劇烈流速變化產(chǎn)生的漩渦對微泵性能有很大影響。通過精密加工和熱鍵合技術(shù)制造出PMMA材料的壓電泵并測量了不同電壓和頻率下的流量和輸出壓力。試驗(yàn)結(jié)果表明：壓電泵流量在低頻下波動(dòng)較大,而在高頻下波動(dòng)較小。流量與背壓近似于線性關(guān)系,其下降斜率隨著頻率的增加而減小。3.通過改變對稱結(jié)構(gòu)三通管中錐管與泵腔的連接方式,設(shè)計(jì)出一種基于圓角連接附壁射流元件的單腔無閥壓電泵,并應(yīng)用數(shù)值模擬方法進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)在較高雷諾數(shù)下該壓電泵的容積效率可以達(dá)到0.5以上。應(yīng)用響應(yīng)面方法對該泵的平面錐管長度和凹劈面寬度進(jìn)行優(yōu)化,結(jié)果表明：當(dāng)輸出壓力為5 kPa時(shí),容積效率最大達(dá)到0.323,其數(shù)值模擬值為0.317,兩者相差1.9%,表明應(yīng)用響應(yīng)面方法的預(yù)測較為準(zhǔn)確。4.通過附壁射流方向的主動(dòng)控制,設(shè)計(jì)出一種基于附壁效應(yīng)的雙向雙腔無閥壓電泵,并通過調(diào)節(jié)壓電振子的振幅改變流體輸送方向。首先通過數(shù)值模擬對兩個(gè)連接泵腔的流管夾角和流量比對微泵流量的影響進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：夾角的選取與雷諾數(shù)和流量比有關(guān),當(dāng)夾角較小而流量比較高時(shí),射流側(cè)向的壓力差小,導(dǎo)致流量大幅下降。制造出PMMA材料的壓電泵并進(jìn)行流量和輸出壓力測試。結(jié)果表明：兩個(gè)壓電振子同時(shí)振動(dòng),微泵流量和輸出壓力隨著兩個(gè)激勵(lì)電壓比值的增加而增長。當(dāng)電壓比為0.6時(shí),流量和輸出壓力分別達(dá)到0.408 ml/min和3.18 kPa,分別比只有一個(gè)振子振動(dòng)時(shí)大57%和78%。5.在雙向雙腔壓電泵的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了一種基于附壁效應(yīng)的雙向三腔無閥壓電泵。相比雙腔結(jié)構(gòu)其泵腔容積變化量更大,并且其連接兩側(cè)泵腔的兩個(gè)流管對沖角度較大,使得附壁射流的側(cè)向力更大,造成更多的漩渦卷吸,提高了微泵的容積效率。6.通過將兩個(gè)單腔無閥壓電泵的附壁射流元件串聯(lián),設(shè)計(jì)出基于附壁效應(yīng)的串聯(lián)雙腔無閥壓電泵。與單腔無閥壓電泵相比,該壓電泵的流量和輸出壓力更大,基本可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)出流。通過數(shù)值模擬對該微泵流動(dòng)特性進(jìn)行了研究,結(jié)果表明：改進(jìn)噴口結(jié)構(gòu)可以增大側(cè)向壓力,達(dá)到提高微泵性能的目的。7.通過在基于附壁效應(yīng)的雙向無閥壓電泵基礎(chǔ)上增加對稱結(jié)構(gòu)的合成射流元件,設(shè)計(jì)出一種基于附壁效應(yīng)和合成射流的雙向三腔無閥壓電泵,其流量大幅提高,并在較高頻率下具有持續(xù)出流的能力。數(shù)值模擬結(jié)果表明：合成射流對流量的貢獻(xiàn)遠(yuǎn)大于附壁射流,微泵進(jìn)口和出口都可以持續(xù)出流。由于合成射流元件進(jìn)出口管之間的流動(dòng)流阻較小,該類型壓電泵輸出壓力較低。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：江蘇大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TH38

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