【摘要】：本文主要研究?jī)?nèi)容是對(duì)合成射流無(wú)閥壓電微泵進(jìn)行動(dòng)力學(xué)建模以及多物理場(chǎng)電-固-液耦合模擬。盡管無(wú)閥壓電微泵的特征尺度在微米級(jí)別,微泵內(nèi)部的流動(dòng)與宏觀流動(dòng)的狀態(tài)不太一樣,但是由于介質(zhì)是液體,一般在宏觀運(yùn)動(dòng)中所用到的動(dòng)量和能量的方程都可以應(yīng)用在微觀流體中。在微觀的尺度下,整個(gè)無(wú)閥壓電微泵的耦合特性增強(qiáng),但對(duì)于耦合特性的研究還處于空白的狀態(tài),除此之外,由于動(dòng)力學(xué)建模和實(shí)驗(yàn)研究的困難也給耦合研究帶來(lái)很大的挑戰(zhàn)。耦合模擬研究涉及到多物理場(chǎng)如電場(chǎng)、固體場(chǎng)以及流體場(chǎng),多物理場(chǎng)耦合模擬可以更好的模擬實(shí)際工況下微泵的運(yùn)行,但是現(xiàn)在對(duì)于合成射流無(wú)閥壓電微泵的模擬分析還處于單一的流體場(chǎng)或者是固體場(chǎng),其他的物理場(chǎng)并沒(méi)有考慮進(jìn)去,所以并沒(méi)有能夠準(zhǔn)確的模擬合成射流無(wú)閥壓電微泵的實(shí)際情況。本文通過(guò)對(duì)合成射流無(wú)閥壓電微泵通過(guò)理論建模分析,利用全耦合的數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法,對(duì)合成射流無(wú)法壓電微泵進(jìn)行多物理場(chǎng)電-固-液耦合模擬,研究如下幾部分內(nèi)容:對(duì)合成射流理論作了詳細(xì)的介紹并對(duì)合成射流的形成條件作了詳細(xì)的闡述,了解合成射流的形成條件并對(duì)其進(jìn)行理論推導(dǎo),得到形成合成射流的必要條件。了解合成射流無(wú)閥壓電微泵中微觀流體的運(yùn)動(dòng),并介紹了描述微流體運(yùn)動(dòng)中的無(wú)量綱數(shù),除此之外對(duì)壓電效應(yīng)和壓電材料作了詳細(xì)的介紹。對(duì)雙層壓電驅(qū)動(dòng)器基于彈性薄板理論進(jìn)行簡(jiǎn)化并對(duì)其進(jìn)行動(dòng)力學(xué)建模,并推導(dǎo)其振動(dòng)位移方程。對(duì)壓電振子進(jìn)行電-固耦合模擬,得到其不同電壓下的振動(dòng)位移以及振子在半徑方向的位移。對(duì)壓電振子進(jìn)行振動(dòng)位移實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證電-固耦合模擬的正確性,從模擬和實(shí)驗(yàn)的比較圖中可以看出,電-固耦合模擬的結(jié)果與測(cè)量位移的結(jié)果基本的重合。對(duì)合成射流無(wú)閥壓電微泵整體進(jìn)行動(dòng)力學(xué)建模得出泵內(nèi)部的壓力和界面速度以及固有頻率。使用專(zhuān)業(yè)的耦合軟件COMSOL Multiphysics對(duì)合成射流無(wú)閥壓電微泵進(jìn)行多物理場(chǎng)電-固-液耦合模擬,對(duì)合成射流無(wú)閥壓電微泵進(jìn)行了三維結(jié)構(gòu)下的耦合模擬分析,建立耦合模型,進(jìn)行包括壓電振子本身的電-固耦合分析以及振子與流體的固-液耦合分析的雙向的耦合分析,全面的分析了耦合作用下的壓電驅(qū)動(dòng)器的服役特性以及流體流動(dòng)的流動(dòng)特性,壓力驅(qū)動(dòng)器的吸入階段的最大位移處也是排出階段的最大位移處,同時(shí)從流線圖中可以看出合成射流的形成的過(guò)程,符合當(dāng)時(shí)對(duì)于合成射流無(wú)閥壓電微泵的設(shè)計(jì)理念。由模擬可知壓電振子上的加載的電壓和頻率必須在某一個(gè)固定的范圍內(nèi)合成射流無(wú)閥壓電微泵才能夠大流量的出流,主要是因?yàn)楹铣缮淞鞒隽髦饕脑蛟谟诤铣缮淞髑坏某叽缡且欢ǖ?而渦對(duì)的形成與發(fā)展以及對(duì)于腔中的流體的卷吸需要一定的時(shí)間以及足夠的流體,所以電壓過(guò)大或者頻率過(guò)低過(guò)高都不能夠滿足條件。對(duì)合成射流無(wú)閥壓電微泵進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)頻率不變時(shí),低頻率下,不管電壓如何變化,微泵的出口流量都很小,當(dāng)頻率變高時(shí),電壓增大流量先增大后來(lái)保持不變。當(dāng)電壓保持不變時(shí),頻率出口流量隨著頻率的增大而增大,但超過(guò)100Hz后出口流量也會(huì)變得很小。這符合之前耦合模擬的結(jié)果。
【圖文】：

電泵的分類(lèi)著壓電泵的不斷的發(fā)展，基于壓電泵上應(yīng)用的原理不同可將壓泵和壓電超聲泵[28]。壓電膜片泵是通過(guò)利用驅(qū)動(dòng)器的機(jī)械變形達(dá)到排吸流體的目的。其中，按照驅(qū)動(dòng)元件的數(shù)量可將壓電泵疊堆式[30]：按照泵腔的數(shù)量不同可分為單腔[31]和多腔[32]；按照片可將微泵分為有閥[33]和無(wú)閥壓電微泵[34]。對(duì)于有閥壓電泵來(lái)簡(jiǎn)單，且由于多年的發(fā)展，有閥壓電微泵更容易制造。但其的流體的壓力損失會(huì)由于活動(dòng)閥的存在而增大，流體因壓力的降氣泡會(huì)對(duì)微泵的運(yùn)行有很大的影響。有閥壓電微泵運(yùn)行中閥片低微泵對(duì)于流量的控制性能，，并且相對(duì)于無(wú)閥壓電泵來(lái)說(shuō)有閥，無(wú)法形成較低尺度的微泵。而壓電超聲泵則是利用壓電材料特性來(lái)實(shí)現(xiàn)流體的單向的運(yùn)輸。圖 1.1 是壓電泵分類(lèi)的樹(shù)狀圖

閥片收到流體的影響會(huì)產(chǎn)生磨損和疲勞甚至是失效這會(huì)降低微泵的靈敏度和可靠性，會(huì)降低微泵的使用的壽命。無(wú)閥壓電微泵由于使用了特殊的微流管結(jié)構(gòu)和微流動(dòng)特性來(lái)現(xiàn)微泵的性能的運(yùn)行，由于不存在閥結(jié)構(gòu)可以很好的解決上述有閥的缺陷問(wèn)題[35-37]。在近 30 年的研究中，基于不同流管和不同動(dòng)特性的微泵被研發(fā)出來(lái)。像異型管、渦旋管、螺旋管、三通管、冪律曲線管、V 形管、分叉幾何管無(wú)閥微泵就是研發(fā)不同流管研發(fā)的無(wú)閥微泵[38-40]，像串并聯(lián)泵腔、流道內(nèi)置阻塊、泵腔底部設(shè)阻塊等無(wú)閥壓電微泵就是基于不同的流動(dòng)原理設(shè)計(jì)的無(wú)閥壓電微泵。1992 年德國(guó)科學(xué)家 Richter 首次將無(wú)閥壓電薄膜振動(dòng)微泵的設(shè)想提出[41]，G.Stemme 等人在 1993 年將這個(gè)設(shè)想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)首次將擴(kuò)散收縮原件應(yīng)用在微泵上制造出了第一臺(tái)無(wú)閥壓電微泵[42]，并試驗(yàn)證明了這臺(tái)微泵的可行性。如圖 1.2 展示了這個(gè)新型無(wú)閥壓電微泵的結(jié)構(gòu)與成品圖。
【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(lèi)號(hào)】：TH38;TH-39

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 何秀華;朱學(xué)斌;楊嵩;鄧志丹;;基于合成射流的無(wú)閥壓電泵性能[J];北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào);2015年04期

2 白蘭;馮志慶;吳一輝;;基于MEMS的無(wú)閥泵研究進(jìn)展[J];微細(xì)加工技術(shù);2007年04期

3 車(chē)志剛;熊良才;龍芋宏;史鐵林;;微流體控制系統(tǒng)研究及其應(yīng)用前景[J];流體機(jī)械;2006年12期

4 馬海峰,周桃生;壓電陶瓷機(jī)械品質(zhì)因數(shù)Q_m及其溫度穩(wěn)定性[J];湖北大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2003年01期

5 凌智勇,丁建寧,楊繼昌,范真,李長(zhǎng)生;微流動(dòng)的研究現(xiàn)狀及影響因素[J];江蘇大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2002年06期

6 羅小兵,李志信,過(guò)增元;一種新型無(wú)閥微泵的原理和模擬[J];中國(guó)機(jī)械工程;2002年15期

7 劉品寬,孫立寧,祝宇虹,趙研峰;雙壓電復(fù)合薄圓板驅(qū)動(dòng)器的理論分析[J];壓電與聲光;2002年02期

8 蔡金標(biāo),葉貴如,陳偉球,丁皓江;橫觀各向同性層合壓電矩形板穩(wěn)定問(wèn)題的三維精確分析[J];復(fù)合材料學(xué)報(bào);2002年01期

9 方肇倫,方群;微流控芯片發(fā)展與展望[J];現(xiàn)代科學(xué)儀器;2001年04期

10 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)：2622358