微流體慣性開關(guān)中液體的流動(dòng)特性研究.pdf

1、針對(duì)現(xiàn)有微流體慣性開關(guān)存在的流動(dòng)液體選擇單一、抗干擾能力差、缺少對(duì)開關(guān)內(nèi)液體流動(dòng)特性研究等問題，本篇論文從流動(dòng)角度出發(fā)，研究了液體在微通道中的流阻特性、分析了液體突破毛細(xì)被動(dòng)閥的突破過程和預(yù)測(cè)模型、提出一種考慮表面張力影響的瞬態(tài)流動(dòng)模型、開展了基于鎵銦液態(tài)金屬和磁流變液的微流體慣性開關(guān)的可行性研究，旨在為微流體慣性開關(guān)的設(shè)計(jì)提供理論參考，并在一定程度上拓寬其使用范圍。
　　1)介紹了一種基于特征尺寸(√A)的常截面微通道內(nèi)壓降的計(jì)

2、算方法，得到了不同截面內(nèi)fRe的表達(dá)形式，通過與現(xiàn)有研究結(jié)果比較，驗(yàn)證了理論計(jì)算的合理性。針對(duì)液體在漸變矩形微通道中壓阻問題，利用幾何邊界條件和傳統(tǒng)常截面矩形微通道中范寧阻力經(jīng)驗(yàn)公式，提出一種壓降預(yù)測(cè)模型;利用CFD仿真軟件進(jìn)行模擬，結(jié)果表明當(dāng)收縮角小于12°時(shí)，理論和仿真結(jié)果吻合較好。
　　2)針對(duì)被動(dòng)閥突破過程的不統(tǒng)一性，綜合分析了被動(dòng)閥的突破原理和三維突破過程。根據(jù)彎曲界面所對(duì)應(yīng)圓心角的不同，將突破過程劃分為三個(gè)階段，并得到

3、了每個(gè)階段的界面壓力表達(dá)式;采用可視化離心平臺(tái)，驗(yàn)證了被動(dòng)閥的突破過程和突破壓力。結(jié)果表明，所得到的三維模型可合理的預(yù)測(cè)液體突破被動(dòng)閥的突破壓力，所劃分的突破階段可合理的描述液體突破被動(dòng)閥的整個(gè)過程。
　　3)以離心力為背景，提出了一種基于N-S方程的瞬態(tài)流動(dòng)數(shù)學(xué)模型。考慮到液體前端表面張力的影響，通過對(duì)前后端表面壓強(qiáng)的簡(jiǎn)化處理，得到微通道內(nèi)液體的瞬態(tài)流場(chǎng)。采用CFD仿真和試驗(yàn)相結(jié)合的方法對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，初始?jí)簭?qiáng)和表

4、面張力對(duì)液體的流動(dòng)有較大的影響，特別是對(duì)結(jié)構(gòu)尺寸較小的微通道;在轉(zhuǎn)速相同的情況下(300rad/s)，截面尺寸越大，科氏力越明顯，導(dǎo)致流體從近似一維流動(dòng)發(fā)展為三維流動(dòng)。所建立的瞬態(tài)流動(dòng)模型與仿真、試驗(yàn)吻合較好，能夠合理的描述瞬態(tài)流場(chǎng)的變化規(guī)律。
　　4)以鎵銦液態(tài)金屬液滴為移動(dòng)電極提出了一種可自行恢復(fù)式微流體慣性開關(guān)裝置。利用自制馬歇特沖擊試驗(yàn)臺(tái)，測(cè)得開關(guān)幾何尺寸和流動(dòng)液體對(duì)閾值大小、響應(yīng)時(shí)間以及接電時(shí)間的影響。結(jié)果表明，對(duì)微通道

5、內(nèi)表面的特殊處理，有效的解決了鎵銦液態(tài)金屬的壁面殘留問題;開關(guān)具有快速接電、斷電以及可自動(dòng)恢復(fù)等特性。
　　5)提出將智能材料磁流變液應(yīng)用到高g值微流體慣性開關(guān)的設(shè)計(jì)方法。通過對(duì)磁流變液流變特性的力學(xué)建模，得到了磁流變閥的閾值模型以及流速分布。利用數(shù)值模擬和仿真分析對(duì)磁場(chǎng)下磁流變液的流動(dòng)性能進(jìn)行分析驗(yàn)證。結(jié)果表明，磁場(chǎng)越大，屈服應(yīng)力越大，流速越小;中心層厚度隨著慣性力的增大而減小，當(dāng)中心層厚度為h（極限值）時(shí)的慣性力則為磁流變液微