無閥微泵多場耦合數(shù)值模擬及降階建模.pdf

1、無閥微泵作為微機(jī)電系統(tǒng)中一類重要的微流體動力源，在眾多領(lǐng)域具有非常廣闊的應(yīng)用前景。在微泵研制的過程中，性能預(yù)測非常重要，然而傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究往往在樣機(jī)試制之后才能獲知具體的性能，并且只能得到輸出流量和壓力，難以獲知微泵內(nèi)部的流動特性。而獲悉微泵的內(nèi)部流動特性，對研究微泵的機(jī)理以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有積極的指導(dǎo)作用。微泵的未來發(fā)展，關(guān)鍵在于研發(fā)的樣機(jī)能否實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，這在很大程度上取決于如何有效地把計(jì)算機(jī)模擬引入到微泵的設(shè)計(jì)當(dāng)中。因此，本文以數(shù)值模擬

2、和降階建模為基礎(chǔ)，對涉及靜電—結(jié)構(gòu)—流體三場耦合的靜電微泵展開研究，主要包括以下幾個(gè)部分的內(nèi)容：
　　 1．簡單地闡述了微流體的特性，給出了宏觀流體力學(xué)理論的適用范圍，并以流體力學(xué)理論為基礎(chǔ)，從理論上證實(shí)了無閥微泵具有定向輸送流體的功能，推導(dǎo)了無閥微泵的輸出流量方程；通過有限元軟件ANSYS/Flotran對擴(kuò)張管和收縮管內(nèi)流體特性進(jìn)行了數(shù)值模擬。
　　 2．介紹了流固耦合力學(xué)的理論，流固耦合問題的分類和特點(diǎn)；以泵膜的結(jié)

3、構(gòu)動力學(xué)方程為基礎(chǔ)，把流體的質(zhì)量矩陣疊加到結(jié)構(gòu)的質(zhì)量陣上，得到了微泵流固耦合系統(tǒng)的無阻尼振動方程，并利用有限元軟件建立了泵膜．腔內(nèi)流體耦合的有限元模型，分析了微泵的結(jié)構(gòu)尺寸和腔內(nèi)流體壓力對泵膜濕模態(tài)的影響。
　　 3．以數(shù)值計(jì)算和模態(tài)疊加法為基礎(chǔ)，建立了靜電微泵中靜電驅(qū)動單元的降階模型，利用該模型模擬了靜電泵膜的靜動態(tài)特性，并參數(shù)化研究了殘余應(yīng)力、泵膜厚度、泵膜半徑、極板初始間隙對靜電微泵吸合電壓和吸合位置的影響；最后還以有限元

4、提取的參數(shù)為基礎(chǔ)，在Matlab/Simulink模塊中通過添加非線性的比較和切換元件，完善了降階模型的模擬功能，準(zhǔn)確地模擬了泵膜的動態(tài)吸合—釋放過程。
　　 4．利用計(jì)算流體動力學(xué)軟件CFD—ACE+，建立了無閥靜電微泵的全耦合模型，求解時(shí)考慮了靜電—結(jié)構(gòu)—流場之間的相互作用，研究了靜電微泵的動態(tài)吸合過程，得到了微泵內(nèi)部的詳細(xì)信息，還利用全耦合模型研究了不同驅(qū)動頻率、不同背壓下微泵的特性。此外，根據(jù)文獻(xiàn)中提供的信息，建立了簡化