收縮-擴(kuò)張型無(wú)閥微泵的流體動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬及泵腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).pdf

1、微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)的飛速發(fā)展令世人矚目，而微流動(dòng)系統(tǒng)作為MEMS技術(shù)研究的一個(gè)主要方向，已展示了其廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。微泵是微流動(dòng)系統(tǒng)的重要執(zhí)行器件，是微流動(dòng)系統(tǒng)發(fā)展水平的重要標(biāo)志，目前已研制出多種類型的微型泵，而其中又以無(wú)閥型微泵因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)成為近年來(lái)的研究熱點(diǎn)。 本文提出并介紹了一種收縮/擴(kuò)張型無(wú)閥微泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其工作原理。基于流體力學(xué)和薄板彎曲理論建立了收縮/擴(kuò)張型無(wú)閥微泵的流體——振膜耦合物理模型，得到了

2、振膜形變的偏微分方程，以及收縮/擴(kuò)張型無(wú)閥微泵的平均流量表達(dá)式。然而求解上述解析方程不僅極其復(fù)雜，而且需要大量的計(jì)算資源，因此我們采用有限元分析方法，選用ANSYS軟件進(jìn)行了CFD(計(jì)算流體力學(xué))模擬。首先，對(duì)收縮/擴(kuò)張型無(wú)閥微泵泵腔結(jié)構(gòu)中的最關(guān)鍵部分——收縮/擴(kuò)張微流道進(jìn)行了仿真計(jì)算，研究了雷諾數(shù)、微流道擴(kuò)張角度、微流道長(zhǎng)度與最小特征寬度之比等各個(gè)參數(shù)對(duì)微流道整流效率的影響；根據(jù)微流道部分的計(jì)算結(jié)果，綜合考慮各個(gè)參數(shù)的交叉影響，初步建

3、立了收縮/擴(kuò)張型無(wú)閥微泵的全模型，對(duì)泵腔的彎道效應(yīng)及緩沖腔耦合效應(yīng)進(jìn)行了仿真分析；綜合對(duì)泵腔各結(jié)構(gòu)單元的分析結(jié)果，選擇一組優(yōu)化參數(shù)建立了二維收縮/擴(kuò)張型無(wú)閥微泵全模型，并對(duì)單面驅(qū)動(dòng)方式和雙面驅(qū)動(dòng)方式的泵送性能進(jìn)行了比較計(jì)算；然后，利用該模型對(duì)微泵在一個(gè)工作周期內(nèi)的泵送過(guò)程進(jìn)行了瞬態(tài)仿真，直觀地顯示了各個(gè)時(shí)刻泵腔內(nèi)的流場(chǎng)構(gòu)形和速度分布；最后，建立了收縮/擴(kuò)張型無(wú)閥微泵的三維立體模型，對(duì)三維模型的泵送量進(jìn)行了模擬計(jì)算。本文的結(jié)果為無(wú)閥微泵的