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存在气泡和气穴时无阀微泵动态特性研究

蒋丹  
【摘要】:收缩管/扩张管型无阀压电微泵可以实现微小流量流体的精确输运,是微流控系统的重要组成部分。由于具有体积小、结构简单和响应速度快等优点,无阀压电微泵在微机电系统、医疗器械和生化工程等领域具有越来越广阔的应用前景。但是当无阀微泵中出现气泡和气穴时,无阀微泵的工作性能和使用寿命大大降低,甚至无法正常工作,这已经成为无阀微泵的一个难题。因此本课题研究存在气泡和气穴时无阀微泵的动态特性是十分必要的。 利用流体力学基本理论以及液体中气泡和气穴产生机理建立了存在气泡和气穴时无阀微泵动态数学模型。同时基于液体中气体的溶解和析出物理过程,提出了气泡和气穴体积计算数学模型。此外基于锥管的特点,分别给出了收缩管和扩张管的流量方程和阻力系数计算表达式。 利用等径液压直管路中存在气泡和气穴的瞬态压力脉动过程,对气泡和气穴数学模型进行验证。建立了压力脉动过程中存在气泡和气穴时管路瞬态数学模型,包括基本方程和摩擦阻力项。采用有限差分法对液压管路中存在气泡和气穴的瞬态过程进行仿真。利用两个压电式压力传感器记录所在位置的瞬态压力脉动值,并采用高速摄像机拍摄气泡和气穴产生及破灭过程,从而验证气泡和气穴数学模型的正确性。 采用遗传算法(Genetic Algorithms, GAs),利用管路瞬态仿真及试验结果对气泡模型中三个未知参数即初始气泡体积V_(ib)、气体溶解时间常数τ_(in)和气体析出时间常数τ_(out)进行参数辨识。 基于无阀微泵动态数学模型,在同时考虑气穴产生和破灭过程以及气泡溶解和析出过程的情况下,对存在气泡和气穴时微泵动态特性进行了仿真研究。分析了不同锥管尺寸、不同泵腔尺寸、不同振动幅值和频率以及不同初始气泡体积对存在气泡和气穴时微泵动态特性的影响,包括泵腔压力、出口流量、出口累积流量、气穴体积和气泡体积的变化。采用有限元分析方法分析了振动薄膜的特性,包括薄膜最大体积变形量、薄膜刚度和最佳工作频率。 对收缩管/扩张管型无阀压电微泵进行了试验研究,包括微泵性能测试、泵腔压力脉动动态测试和泵腔中气泡的观测等,并提出了修正后的薄膜最大体积变形量计算方法。其中微泵的性能测试包括出口流量和背压测试。采用安装在泵腔上的压阻式微型压力传感器完成微泵泵腔压力脉动测试。同时,采用高速摄像机拍摄泵腔中气泡的变化,包括移动、分离和合并等过程,以验证数学模型和仿真方法的正确性和可行性。


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