存在氣泡和氣穴時(shí)無閥微泵動(dòng)態(tài)特性研究.pdf

1、收縮管/擴(kuò)張管型無閥壓電微泵可以實(shí)現(xiàn)微小流量流體的精確輸運(yùn)，是微流控系統(tǒng)的重要組成部分。由于具有體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，無閥壓電微泵在微機(jī)電系統(tǒng)、醫(yī)療器械和生化工程等領(lǐng)域具有越來越廣闊的應(yīng)用前景。但是當(dāng)無閥微泵中出現(xiàn)氣泡和氣穴時(shí)，無閥微泵的工作性能和使用壽命大大降低，甚至無法正常工作，這已經(jīng)成為無閥微泵的一個(gè)難題。因此本課題研究存在氣泡和氣穴時(shí)無閥微泵的動(dòng)態(tài)特性是十分必要的。
　　利用流體力學(xué)基本理論以及液體中氣泡和氣

2、穴產(chǎn)生機(jī)理建立了存在氣泡和氣穴時(shí)無閥微泵動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型。同時(shí)基于液體中氣體的溶解和析出物理過程，提出了氣泡和氣穴體積計(jì)算數(shù)學(xué)模型。此外基于錐管的特點(diǎn)，分別給出了收縮管和擴(kuò)張管的流量方程和阻力系數(shù)計(jì)算表達(dá)式。
　　利用等徑液壓直管路中存在氣泡和氣穴的瞬態(tài)壓力脈動(dòng)過程，對(duì)氣泡和氣穴數(shù)學(xué)模型進(jìn)行驗(yàn)證。建立了壓力脈動(dòng)過程中存在氣泡和氣穴時(shí)管路瞬態(tài)數(shù)學(xué)模型，包括基本方程和摩擦阻力項(xiàng)。采用有限差分法對(duì)液壓管路中存在氣泡和氣穴的瞬態(tài)過程進(jìn)行仿真。

3、利用兩個(gè)壓電式壓力傳感器記錄所在位置的瞬態(tài)壓力脈動(dòng)值，并采用高速攝像機(jī)拍攝氣泡和氣穴產(chǎn)生及破滅過程，從而驗(yàn)證氣泡和氣穴數(shù)學(xué)模型的正確性。
　　采用遺傳算法(Genetic Algorithms,GAs)，利用管路瞬態(tài)仿真及試驗(yàn)結(jié)果對(duì)氣泡模型中三個(gè)未知參數(shù)即初始?xì)馀蒹w積Vib、氣體溶解時(shí)間常數(shù)τin和氣體析出時(shí)間常數(shù)τout進(jìn)行參數(shù)辨識(shí)。
　　基于無閥微泵動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，在同時(shí)考慮氣穴產(chǎn)生和破滅過程以及氣泡溶解和析出過程的情況下

4、，對(duì)存在氣泡和氣穴時(shí)微泵動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了仿真研究。分析了不同錐管尺寸、不同泵腔尺寸、不同振動(dòng)幅值和頻率以及不同初始?xì)馀蒹w積對(duì)存在氣泡和氣穴時(shí)微泵動(dòng)態(tài)特性的影響，包括泵腔壓力、出口流量、出口累積流量、氣穴體積和氣泡體積的變化。采用有限元分析方法分析了振動(dòng)薄膜的特性，包括薄膜最大體積變形量、薄膜剛度和最佳工作頻率。
　　對(duì)收縮管/擴(kuò)張管型無閥壓電微泵進(jìn)行了試驗(yàn)研究，包括微泵性能測(cè)試、泵腔壓力脈動(dòng)動(dòng)態(tài)測(cè)試和泵腔中氣泡的觀測(cè)等，并提出了修正