本文關鍵詞：平面擴散收縮管無閥壓電泵內部流場瞬態(tài)特性理論分析及實驗研究

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【摘要】：壓電微泵是微流體系統中的核心部件,可以廣泛的應用于化學分析、藥物輸送、芯片冷卻等領域,在近二三十年得到了飛速發(fā)展。本文主要對擴散收縮管無閥壓電泵及擴散收縮元件進行了數值模擬和實驗研究。將影響微泵性能的參數分為驅動參數和結構參數兩大類。選擇泵腔體積變化率、激勵頻率和擴散角度為變量,探索影響微泵效率的內部因素。首先通過激光測振儀得到微泵運行時壓電振子的振動位移,并與Bu等人提出的位移模型進行比較,發(fā)現模型具有較高的準確性,為數值模擬提供了可靠的邊界條件。實驗與模擬的對比證明數值模擬具有很高的可靠性,也為微尺度流動下轉捩點提前的推論提供依據。利用數值模擬對擴散角5°~60°,壓電振子位移為0.5~80μm,激勵頻率為10~5000Hz情況的微泵進行研究。利用統計方法對微泵內的漩渦位置和持續(xù)時間進行統計分析,揭示了各變量對微泵效率產生影響的內在因素。激勵頻率為100~1000Hz時微泵效率隨著頻率的增大而增大是因為逆壓梯度產生的漩渦在吸入階段堵塞了流管。通過流管穩(wěn)態(tài)試驗臺對低雷諾數下擴散角為20°、40°和60°的流管進行了研究。成功利用高速數碼相機捕捉到流管內的速度分布,發(fā)現擴散角為20°的流管錐管效率達到最大值時沒有邊界層分離現象發(fā)生,而擴散角為40°和60°的流管錐管效率達到最大值時壁面兩側存在漩渦。利用數值模擬對擴散角5°~60°,雷諾數為100~1500,頻率為0~5000Hz情況下流管的錐管效率進行研究。定常情況下,定義了最優(yōu)擴散角,并推測最優(yōu)擴散角是某雷諾數下不發(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可以用定常研究代替非定常研究(f?Hz100);頻率大于100Hz,雷諾數為100時,錐管效率隨著頻率的增大持續(xù)降低,雷諾數為1500時錐管效率隨著頻率的增大則持續(xù)升高。雷諾數為700時錐管效率和流管內流動現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。
【關鍵詞】：擴散收縮管壓電微泵 振子位移 微泵效率 漩渦 流場顯示
【學位授予單位】：江蘇大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：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 擴散收縮管無閥壓電泵11-17
• 1.3.1 擴散收縮管無閥壓電泵的工作原理11-12
• 1.3.2 擴散收縮管無閥壓電泵的研究背景12-17
• 1.4 擴散收縮管微泵的研究現狀與不足17-20
• 1.4.1 研究現狀17-19
• 1.4.2 研究進展分析19-20
• 1.5 本文研究的主要內容20-22
• 第二章 無閥壓電微泵理論基礎22-32
• 2.1 微流動理論及常用無量綱數22-24
• 2.1.1 微流動的分類22-23
• 2.1.2 常用的無量綱數23-24
• 2.2 轉捩點的判斷24-26
• 2.3 共振頻率分析26-28
• 2.4 壓力損失系數及錐管效率28-29
• 2.4.1 壓力損失系數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39-40
• 第四章 平面擴散收縮管無閥壓電微泵瞬態(tài)特性實驗及理論分析40-61
• 4.0 共振頻率分析40-42
• 4.1 實驗裝置42-43
• 4.2 數值模擬43-47
• 4.2.1 結構參數43-47
• 4.3 結果與分析47-59
• 4.3.1 實驗結果與討論47-49
• 4.3.2 模擬結果與分析49-59
• 4.4 本章小結59-61
• 第五章 平面擴散收縮管內部流場數值模擬與實驗研究61-77
• 5.1 錐管效率對微泵效率的影響61
• 5.2 實驗裝置61-63
• 5.3 數值模擬63-64
• 5.3.1 結構參數63
• 5.3.2 網格無關化分析及參數設置63-64
• 5.4 結果與分析64-75
• 5.4.1 實驗結果與討論64-65
• 5.4.2 模擬結果與分析65-75
• 5.5 本章小結75-77
• 第六章 總結與展望77-80
• 6.1 本文工作77-78
• 6.2 展望78-80
• 參考文獻80-88
• 致謝88-89
• 攻讀碩士期間發(fā)表論文情況89

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