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基于附壁效应的新型无阀压电泵

杨嵩  
【摘要】:微流体系统可以实现微量流体的控制、微混合及成分分析等功能,由于其尺寸小、功耗低、响应快和精度高等优点,在化学分析、生物技术、微芯片冷却、微流体供给等领域有广阔的应用前景。微泵是微流体系统的驱动元件,根据应用需求的不同,各种原理的微泵被研发出来。无阀压电泵无可动阀片结构,其结构简单,易于集成化,并且具有功耗低、响应快、无电磁干扰等优点,是微泵研究最为热点的类型之一。传统的扩散/收缩管无阀压电泵等双流管微泵存在流量小、容积效率低的问题。本文首次将附壁效应应用于无阀压电泵的研究,流量和容积效率得到大幅提高,还可以通过对附壁射流方向的控制实现输送方向的切换。本文的主要研究内容和结论如下:1.分析了常用的三种简易振子位移模型和Bu等提出的双层振子位移模型,将其与数值模拟进行对比,结果表明Bu提出的双层振子位移模型的位移曲线与数值模拟几乎完全重合。当压电陶瓷与弹性基板的半径比为0.1时,三种简易振子位移模型的预测结果与数值模拟结果相差很远;当半径比为0.5时,均匀载荷圆形薄板和中心载荷圆形薄板模型预测结果与数值模拟较为接近;当半径比为0.9时,抛物线模型预测结果与数值模拟较为接近。应用显微式激光测振仪对压电振子的振幅进行测量,其结果与Bu等双层振子位移模型的预测非常吻合。2.利用非对称三通管内部流动的附壁效应,首次设计出一种新型单腔无阀压电泵。相比扩散/收缩管无阀压电泵或类似原理的压电泵,其在较低雷诺数下具有较好的性能。首先通过数值模拟研究了雷诺数和振动频率对微泵流量的影响,结果表明:微泵流量随着雷诺数的增加而增长,随着频率的增加而降低;容积效率与雷诺数近似于正比关系。附壁射流元件内剧烈流速变化产生的漩涡对微泵性能有很大影响。通过精密加工和热键合技术制造出PMMA材料的压电泵并测量了不同电压和频率下的流量和输出压力。试验结果表明:压电泵流量在低频下波动较大,而在高频下波动较小。流量与背压近似于线性关系,其下降斜率随着频率的增加而减小。3.通过改变对称结构三通管中锥管与泵腔的连接方式,设计出一种基于圆角连接附壁射流元件的单腔无阀压电泵,并应用数值模拟方法进行了研究,发现在较高雷诺数下该压电泵的容积效率可以达到0.5以上。应用响应面方法对该泵的平面锥管长度和凹劈面宽度进行优化,结果表明:当输出压力为5 kPa时,容积效率最大达到0.323,其数值模拟值为0.317,两者相差1.9%,表明应用响应面方法的预测较为准确。4.通过附壁射流方向的主动控制,设计出一种基于附壁效应的双向双腔无阀压电泵,并通过调节压电振子的振幅改变流体输送方向。首先通过数值模拟对两个连接泵腔的流管夹角和流量比对微泵流量的影响进行了研究。结果表明:夹角的选取与雷诺数和流量比有关,当夹角较小而流量比较高时,射流侧向的压力差小,导致流量大幅下降。制造出PMMA材料的压电泵并进行流量和输出压力测试。结果表明:两个压电振子同时振动,微泵流量和输出压力随着两个激励电压比值的增加而增长。当电压比为0.6时,流量和输出压力分别达到0.408 ml/min和3.18 kPa,分别比只有一个振子振动时大57%和78%。5.在双向双腔压电泵的基础上,设计了一种基于附壁效应的双向三腔无阀压电泵。相比双腔结构其泵腔容积变化量更大,并且其连接两侧泵腔的两个流管对冲角度较大,使得附壁射流的侧向力更大,造成更多的漩涡卷吸,提高了微泵的容积效率。6.通过将两个单腔无阀压电泵的附壁射流元件串联,设计出基于附壁效应的串联双腔无阀压电泵。与单腔无阀压电泵相比,该压电泵的流量和输出压力更大,基本可以实现连续出流。通过数值模拟对该微泵流动特性进行了研究,结果表明:改进喷口结构可以增大侧向压力,达到提高微泵性能的目的。7.通过在基于附壁效应的双向无阀压电泵基础上增加对称结构的合成射流元件,设计出一种基于附壁效应和合成射流的双向三腔无阀压电泵,其流量大幅提高,并在较高频率下具有持续出流的能力。数值模拟结果表明:合成射流对流量的贡献远大于附壁射流,微泵进口和出口都可以持续出流。由于合成射流元件进出口管之间的流动流阻较小,该类型压电泵输出压力较低。


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