電滲流泵的流體動力學(xué)分析.pdf

1、微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS:microelctromechanical systems)的研究始于上個(gè)世紀(jì)的八、九十年代,目前已經(jīng)成為一股潮流.與此同時(shí),液體在微系統(tǒng)中的流動問題也就成了工程界所面臨的一個(gè)難題.早期的微泵研究始于上世紀(jì)七十年代,當(dāng)時(shí)的微泵都是機(jī)械式的--都有一個(gè)往復(fù)運(yùn)動的機(jī)械部件.這種微泵所能承受的背壓不超過一個(gè)大氣壓,且液體的流動方式是脈動的,流量也不大,每次脈動大約122nl,構(gòu)造相對復(fù)雜.隨著研究的深入,出現(xiàn)了沒有機(jī)械運(yùn)

2、動部件的微泵,以這類微泵為動力源的流動方式是連續(xù)的.按原理它們可以分為電流體驅(qū)動(electrohydrodynamics)微泵,超聲波(ultrasonic)微泵,磁流體驅(qū)動(magnetohydrodynamics)微泵等.但是這些微泵要么對液體的傳導(dǎo)率要求過嚴(yán),要么耐背壓能力有限,且流量都很小,這使得它們的應(yīng)用受到很大限制.電滲流(EOF:electroosmotic flow)微泵是基于界面化學(xué)、靜電場、流體力學(xué)等理論開發(fā)出的微

3、泵.它有效地克服了流量小、承載(背壓)低等難題,且它結(jié)構(gòu)簡單,流動方式是連續(xù)的.正因?yàn)檫@些優(yōu)點(diǎn)我們有理由相信基于電滲流機(jī)理的微泵必將成為微機(jī)電系統(tǒng)中主導(dǎo)型的微泵.而且它的應(yīng)用不局限于微機(jī)電系統(tǒng),它在醫(yī)療中的藥物輸送,工、民用的兩相流制冷,甚至宇航科技中都有著廣闊的應(yīng)用前景.該文中詳細(xì)敘述了關(guān)于外加垂直電場的Laplace方程、關(guān)于zeta電勢的Poisson-Boltzmann方程和關(guān)于整個(gè)液體的Navier-Stokes方程的建立過程

4、.對于這些方程用數(shù)值方法求解.其中離散的方法是無網(wǎng)格法(meshless/meshfree),而對Poisson-Boltzmann方程用殘值最小法構(gòu)造非線性算法,對Navier-Stokes方程用二步法——用時(shí)間離散把非線性方程轉(zhuǎn)化成各步線性的,然后各步再作空間離散.在數(shù)值實(shí)現(xiàn)時(shí),用C++和Matlab C++數(shù)學(xué)庫去編程,從而使兩者優(yōu)勢互補(bǔ).最后討論了EOF的流型、驅(qū)動過程、zeta電勢對流速的影響、外加垂直電勢對流速的影響、管徑對