熱汽泡驅(qū)動(dòng)無閥微泵特性數(shù)值模擬.pdf

1、微機(jī)電系統(tǒng)通過微制造技術(shù)將機(jī)械單元、傳感器、執(zhí)行器件和電子元件整合到一片微基板上。微機(jī)電系統(tǒng)現(xiàn)正被廣泛應(yīng)用于航空、生物化學(xué)、基因分析等多個(gè)領(lǐng)域。微流控系統(tǒng)作為微機(jī)電系統(tǒng)的一個(gè)重要分支，近年來取得了很大的進(jìn)展。微泵是微流控系統(tǒng)中不可或缺的關(guān)鍵部件。對(duì)于微泵的基本設(shè)計(jì)要求是高可靠性、低能量消耗、制造方便、生產(chǎn)成本低、易于控制等。在宏觀尺度下，泵一般都包括了活塞和閥門這些部件。但是當(dāng)尺寸下降的時(shí)候，活動(dòng)部件的制造困難程度將會(huì)增加，而運(yùn)行的可靠

2、性將會(huì)降低。所以在微流控制系統(tǒng)中，無閥泵將是微泵最好的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)，其性能及操作特性是其重要的需要關(guān)注的方面。
　　 本文利用電加熱產(chǎn)生汽泡，過冷主流冷凝汽泡縮小的特性，在前人的研究基礎(chǔ)上，構(gòu)成了一種新型的熱汽泡驅(qū)動(dòng)的微泵。并利用數(shù)值模擬的方法，研究了汽泡驅(qū)動(dòng)無閥微泵的特性。利用利用CFD程序FLUENT的UDFs接口，通過能量及質(zhì)量傳遞的解析描述汽泡的行為，研究了汽泡驅(qū)動(dòng)無閥泵的特性。
　　 研究發(fā)現(xiàn)，包含一個(gè)汽泡生長(zhǎng)

3、和冷凝的汽泡變化過程的微泵工作周期中，冷凝階段的時(shí)間較長(zhǎng)，是微泵驅(qū)動(dòng)的決定性因素。汽泡的生長(zhǎng)和加熱壁面的過熱度相關(guān)，壁面過熱度升高，汽泡生長(zhǎng)速度變快，相同時(shí)間到達(dá)更大的體積。不同的冷凝階段加熱壁面溫度變化情況，汽泡的生長(zhǎng)特性不同，連續(xù)變化的壁面溫度邊界條件，汽泡冷凝時(shí)間變長(zhǎng)。不同的壁面過熱度有不同的最佳驅(qū)動(dòng)頻率和驅(qū)動(dòng)比例。不同的壁面過熱度有不同的最佳驅(qū)動(dòng)頻率，過熱度增加，最佳驅(qū)動(dòng)頻率會(huì)降低，流量和壓力變大。同一壁面過熱度，流量和壓力有相

4、似的變化趨勢(shì)。而對(duì)于兩種不同的冷凝階段加熱壁面情況，定溫條件的泵的流量比變溫條件泵的流量要高，原因是定溫條件下，汽泡的冷凝較快，泵的流量增加。在定壁溫條件下，△T=15℃時(shí)，f=202.02 Hz，duty=4.03％，最大的體積流量是29.6μL/min，最大的泵壓是680 Pa。在變壁溫條件下，過熱度△T=15℃時(shí)，f=170.9 Hz，duty=2.56％，體積流量 Q=9.023μL/min，泵送壓力為687 Pa。壁面溫度條件