無閥微泵壓電-應(yīng)力-流體耦合場(chǎng)數(shù)值計(jì)算研究.pdf

1、無閥壓電微泵是利用壓電振子施加電壓后的機(jī)械振動(dòng)實(shí)現(xiàn)流體傳輸?shù)囊环N新型流體輸運(yùn)部件，可以在較低電壓下獲得較好的輸出能力，結(jié)構(gòu)簡單，易于加工和微小型化，是需要小流量、精確控制、連續(xù)輸出的微全分析系統(tǒng)中最重要的流體驅(qū)動(dòng)器件之一。 本文采用多物理場(chǎng)耦合軟件CFD-ACE+對(duì)無閥壓電微泵進(jìn)行三維動(dòng)態(tài)數(shù)值計(jì)算研究。通過對(duì)無閥壓電微泵結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，壓電-應(yīng)力-流體耦合場(chǎng)的數(shù)值計(jì)算以及將微泵集成到十字溝道微流控電泳芯片上的系統(tǒng)仿真，深入研究微型化

2、后微泵的輸出特性和可應(yīng)用性。在正弦電壓激勵(lì)下，壓電振子的形變作用在微泵內(nèi)部流體上，同時(shí)流體對(duì)壓電振子也有一個(gè)反作用，這一工作過程的仿真可以更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)微泵的輸出特性以及集成微泵式微流控芯片的工作特性。 文中采用結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格對(duì)無閥壓電微泵模型進(jìn)行離散化，其系統(tǒng)仿真需要用到CFD-ACE+中流場(chǎng)、電場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)以及網(wǎng)格變形四大模塊。在數(shù)值計(jì)算過程中，不斷調(diào)整瞬態(tài)計(jì)算的時(shí)間精度、流體速度的空間差分格式以及迭代次數(shù)和時(shí)間步長，保證各個(gè)物理量

3、的平均殘差均低于1E-05。同時(shí)，應(yīng)用Fortan90語言對(duì)CFD-ACE+進(jìn)行二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)無閥壓電微泵瞬態(tài)流量輸出。對(duì)擴(kuò)張管元件的雷諾數(shù)進(jìn)行數(shù)值分析，其結(jié)果與德國TorstenGerlach等人的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合。建立微泵內(nèi)部流場(chǎng)的數(shù)學(xué)模型，對(duì)其擴(kuò)張角、擴(kuò)張比、泵腔深度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到適合加工的優(yōu)化結(jié)構(gòu)，擴(kuò)張角為9°，擴(kuò)張比為15，擴(kuò)張管最小截面積80×80μm，泵腔刻蝕深度為80μm。對(duì)由壓電體(1000×1000×200μm)和

4、硅基底(12000×12000×50μm)組成的正方形壓電振子進(jìn)行模態(tài)分析，得到其一階共振頻率為7.114kHz。無閥壓電微泵的流量隨著激勵(lì)電壓幅值的增大而增大，隨著頻率的增大變化趨勢(shì)復(fù)雜。壓電振子的最大位移和無閥壓電微泵流量隨著頻率的變化規(guī)律不完全相同表明：不考慮流體作用的壓電振子的變形所包圍的體積等價(jià)于微泵的輸出流量這一結(jié)論的不準(zhǔn)確性；低頻時(shí)壓電振子最大位移隨著頻率變化有一個(gè)峰值并不一定是微泵的共振頻率。在集成無閥壓電微泵的十字溝道