平面錐管無(wú)閥壓電微泵內(nèi)部附壁效應(yīng)研究.pdf

1、本課題由國(guó)家自然基金項(xiàng)目(51276082)資助。微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)的快速發(fā)展得益于微流體系統(tǒng)的廣泛研究，微型泵作為微流體系統(tǒng)重要驅(qū)動(dòng)元件，它的發(fā)展水平直接影響到微機(jī)電系統(tǒng)整體性能。壓電泵是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積微小、能耗較低、沒(méi)有電磁干擾、集成度高、便于進(jìn)行微型化的機(jī)械式微泵，廣泛應(yīng)用于醫(yī)療器械、生物工程、水冷系統(tǒng)、航空航天、環(huán)境檢測(cè)、化學(xué)分析等領(lǐng)域。
　　平面錐管無(wú)閥壓電微泵隨著微流體技術(shù)快速發(fā)展，憑借其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)迅速成為

2、了科研熱點(diǎn)。本文研究了影響平面錐管無(wú)閥壓電微泵內(nèi)部附壁效應(yīng)的因素及附壁效應(yīng)對(duì)無(wú)閥壓電泵性能的影響，分別對(duì)以下三個(gè)方面進(jìn)行了研究：
　　1.對(duì)平面錐管無(wú)閥壓電微泵目前的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了梳理分析，闡述了射流原理及附壁效應(yīng)原理，介紹了無(wú)閥壓電微泵的驅(qū)動(dòng)機(jī)理，分別在穩(wěn)態(tài)流動(dòng)與非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)狀態(tài)下對(duì)無(wú)閥壓電微泵用平面錐管內(nèi)的附壁效應(yīng)進(jìn)行了理論研究，分析了平面錐管流阻系數(shù)比以及無(wú)閥壓電泵的泵送效率。
　　2.采用數(shù)值計(jì)算模擬的方法對(duì)平面錐管內(nèi)

3、部流動(dòng)附壁效應(yīng)進(jìn)行研究，目的在于研究錐管內(nèi)流體流動(dòng)中產(chǎn)生的附壁效應(yīng)對(duì)其流阻系數(shù)的影響。研究表明:雷諾數(shù)Re在300-3000范圍內(nèi)，錐管角度θ在5°-40°之間時(shí)，擴(kuò)散方向流動(dòng)可以分為三種狀態(tài)，即平穩(wěn)流動(dòng)，附壁狀態(tài)和全射流狀態(tài)。錐管角度為10°-35°時(shí)，錐管內(nèi)流動(dòng)易于發(fā)生附壁效應(yīng)。Re=300/600/900/1200，平穩(wěn)流動(dòng)擴(kuò)散流阻系數(shù)隨著角度的增大迅速降低;附壁狀態(tài)擴(kuò)散流阻系數(shù)隨著擴(kuò)散角的增大緩慢增大;全射流狀態(tài)擴(kuò)散流阻系數(shù)隨著

4、擴(kuò)散角的增大而緩慢降低。Re=1800/2400/3000，附壁狀態(tài)流擴(kuò)散阻系數(shù)在錐管角度為30°時(shí)達(dá)到最大值。流阻系數(shù)比在平穩(wěn)流動(dòng)和全射流狀態(tài)下基本不變，在附壁狀態(tài)下隨著角度的增大迅速減小。
　　3.對(duì)平面錐管無(wú)閥壓電泵進(jìn)行三維建模，利用CFX軟件對(duì)低頻范圍內(nèi)(f≤50hz)無(wú)閥微泵用平而錐管內(nèi)部流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，目的在于研究低頻下平面錐管內(nèi)部流動(dòng)對(duì)無(wú)閥壓電泵特性的影響。平面錐管流阻系數(shù)比隨頻率增加呈近似線性增加。當(dāng)錐管出口