【摘要】：附壁射流無閥壓電微泵是一種新型的微動(dòng)力元件,是微流控系統(tǒng)乃至微機(jī)電系統(tǒng)中重要的的驅(qū)動(dòng)元件和執(zhí)行元件。為了更好地對(duì)附壁射流無閥壓電微泵進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化,預(yù)測(cè)其給定幾何尺寸和特定工況下的動(dòng)態(tài)性能,建立一個(gè)簡(jiǎn)潔方便、準(zhǔn)確有效的計(jì)算模型十分必要。本文基于集總參數(shù)法的思想,首次對(duì)典型的附壁射流無閥壓電微泵進(jìn)行了整泵的建模,得到了該泵的等效電路模型,并加工了兩臺(tái)樣泵進(jìn)行了相應(yīng)的外特性試驗(yàn),研究結(jié)果表明該集總參數(shù)模型能有效地預(yù)測(cè)附壁射流無閥壓電微泵的動(dòng)態(tài)性能。本文的具體內(nèi)容及結(jié)論如下:將一個(gè)典型的附壁射流無閥壓電微泵劃分為壓電驅(qū)動(dòng)部分和射流元件部分兩大塊,對(duì)這兩大部分分別采用動(dòng)力學(xué)建模和數(shù)值模擬擬合的方法構(gòu)建計(jì)算模型,兩大部分之間通過體積流量的傳遞聯(lián)結(jié)起來。根據(jù)附壁射流無閥壓電微泵的基本工作原理,利用電學(xué)和力學(xué)之間的類比,得到了附壁射流無閥壓電微泵的等效電路模型。在等效電路模型中,電流和電壓分別代表實(shí)際系統(tǒng)中的體積流量和壓差,電阻、電容和電感分別用來表示能量耗散、勢(shì)能變化和動(dòng)能變化,理想變壓器則說明能量從電學(xué)域向流體域的轉(zhuǎn)換情況。利用該等效電路,采用電路理論計(jì)算得到整個(gè)系統(tǒng)的頻響函數(shù)(?),即出口體積流量和輸入電壓之間的關(guān)系。根據(jù)彈性薄板小撓度理論,對(duì)雙層復(fù)合結(jié)構(gòu)的壓電振子作Kirchhoff基本假設(shè),推導(dǎo)出壓電振子的振動(dòng)位移方程。通過求解振動(dòng)方程得到位移分布,進(jìn)而得到有效壓電常數(shù)d_a和換能系數(shù)φ。利用類比動(dòng)量方程的計(jì)算方式,最終得到壓電振子振動(dòng)膜片的等效集總參數(shù)。針對(duì)不同擴(kuò)散管開角(q分別為15°、30°、45°、60°、75°)和不同喉部寬度(d分別為100μm、150μm、200μm、250μm、300μm)的附壁射流元件在不同Reynolds數(shù)(400、600、800)下進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。模擬結(jié)果表明,體積流量隨Reynolds數(shù)的增加而增加,隨著擴(kuò)散管開角和喉部寬度的增加先增加后減小,其中存在一個(gè)最佳擴(kuò)散管開角和最佳喉部寬度。經(jīng)MATLAB三維擬合分別得到了附壁射流元件在泵出過程和吸入過程中進(jìn)口段和出口段的等效總體阻抗擬合曲面。在硅基上采用濕法刻蝕加工了擴(kuò)散管開角分別為30°和45°的兩臺(tái)附壁射流無閥壓電微泵樣泵,并搭建了外特性試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行相應(yīng)的試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明:在壓電振子可承受的強(qiáng)度范圍內(nèi),微泵的體積流量隨電壓幅值的增加而增加;工作頻率是影響微泵性能的關(guān)鍵因素,微泵的體積流量隨著頻率增加先增加后減小,中間存在一個(gè)最佳工作頻率為75Hz;擴(kuò)散角為45°的試驗(yàn)樣泵,其體積流量要高出30°的試驗(yàn)樣泵,在最佳工作頻率時(shí)增幅接近40%。將集總參數(shù)模型中的各參數(shù)代入等效電路模型中,用MATLAB Simulink進(jìn)行模擬計(jì)算,得到各個(gè)工作頻率下的體積流量估計(jì)值。結(jié)果表明,模型計(jì)算值和試驗(yàn)測(cè)量值兩條曲線具有一致的變化趨勢(shì),模型計(jì)算值總體上要大于試驗(yàn)測(cè)量值。
【圖文】：

(b) 泵出過程圖 1.1 擴(kuò)散/收縮管型無閥壓電微泵的工作原理圖ig. 1.1 The working principle of diffuser/nozzle valveless piezoelectric micropu93 年，瑞典查爾姆斯理工大學(xué)的 Stemme 等人制作和測(cè)試了第一臺(tái)無閥壓電微泵[27]，這是目前已知的公開發(fā)表的第一篇介紹了無閥壓文章。該泵由一個(gè)泵腔和兩個(gè)圓錐型擴(kuò)散/收縮管組成，兩個(gè)擴(kuò)散于泵腔的兩側(cè)，整個(gè)泵體的直徑為 19mm，，制作材料為黃銅（如值得注意的是，在流道最窄處的寬度（喉部寬度）已經(jīng)小于 1m的微流道。該泵的工作頻率在 100Hz 量級(jí)，最大流量可達(dá) 16ml可達(dá) 2m H2O。1995 年，瑞典皇家理工學(xué)院的 Olsson 等人為了獲得送效果，在 Stemme 的研究基礎(chǔ)上提出了一種雙腔并聯(lián)式擴(kuò)散/收縮微泵，并將原圓錐型擴(kuò)散/收縮管改為平面型，所用的制作材料依圖 1.3 所示）[34]。該泵單個(gè)泵腔直徑為 13mm，總厚度為 1mm，

(a) (b)圖 1.2 Stemme 等人設(shè)計(jì)制作的微泵結(jié)構(gòu)圖(a)和實(shí)物圖(b)[27]Fig. 1.2 The diffuser/nozzle valveless piezoelectric micropump proposed by Stemme(a) (b)圖 1.3 Olsson 等人提出雙腔并聯(lián)式微泵的流道結(jié)構(gòu)圖(a)和工作原理圖(b)[34]Fig. 1.3 Two pump chambers arranged in parallel proposed by Olsson
【學(xué)位授予單位】：江蘇大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TH38;TH-39

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前1條

1 丁皓江,陳偉球,徐榮橋;壓電板殼自由振動(dòng)的三維精確分析[J];力學(xué)季刊;2001年01期

本文編號(hào)：2605117