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《华中科技大学》 2004年
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生物芯片无阀压电扩散管微流体泵流场数值模拟

张永立  
【摘要】:微流体泵是生物芯片的核心流体驱动部件,它的结构及泵送特性直接影响着整个芯片系统的工作效率和应用范围。因此对它进行研究意义深远。目前,微流体泵种类已经不少,鉴于无阀压电扩散管微流体泵具有易加工、寿命长、低成本、适用范围广等优点,本文应用数值模拟方法对其流动特性进行了深入研究。 本文应用浅水波浪模型对无阀扩散管微流体泵的周期性流动进行厚度平均近似, 并采用有限元/压强修正法求解二维周期性变化的流场、定量计算微泵流量及研究其逆压泵送特性。计算结果显示:(1)在微泵进出口扩散管的过流截面上流速有相位差和回流现象;(2)在压电膜周期振动的特定时间段,腔体和扩散管相接处出现明显的漩涡流动;(3)周期性变化的速度和压强之间存在相位差,即同频率而不同相位;(4)微流体泵的定向净流量主要来自于Navier-Stokes方程的非线性。而且,本文还定量计算研究了微泵扩散管几何尺寸、压电膜驱动特性以及流体粘性对微流体泵特性的影响,得出以下结论:(1)微流体泵存在一个最佳的扩散管长度;(2)扩散管小口端横截面形状设计为正方形是提高微泵流量的一个有效途径;(3)增加扩散管长度、提高压电膜振幅、缩小扩散管横截面积都可以提高微泵逆压特性,其中尤以缩小扩散管横截面积最为有效。通过综合优化这些参数,有望得到一个高性能的微流体泵。 在上述研究基础上,本文还借助于计算流体动力学软件FLUENT对压电微流体泵三维流场进行了初步数值计算。计算结果显示出和二维模型基本相同的流动物理现象,并且流量大小量级相当。这验证了二维浅水模型在微流体泵分析中的可行性。
【学位授予单位】:华中科技大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2004
【分类号】:TH38

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