無閥微泵壓電-應(yīng)力-流體耦合場數(shù)值計(jì)算研究.pdf

1、無閥壓電微泵是利用壓電振子施加電壓后的機(jī)械振動實(shí)現(xiàn)流體傳輸?shù)囊环N新型流體輸運(yùn)部件，可以在較低電壓下獲得較好的輸出能力，結(jié)構(gòu)簡單，易于加工和微小型化，是需要小流量、精確控制、連續(xù)輸出的微全分析系統(tǒng)中最重要的流體驅(qū)動器件之一。 本文采用多物理場耦合軟件CFD-ACE+對無閥壓電微泵進(jìn)行三維動態(tài)數(shù)值計(jì)算研究。通過對無閥壓電微泵結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，壓電-應(yīng)力-流體耦合場的數(shù)值計(jì)算以及將微泵集成到十字溝道微流控電泳芯片上的系統(tǒng)仿真，深入研究微型化

2、后微泵的輸出特性和可應(yīng)用性。在正弦電壓激勵下，壓電振子的形變作用在微泵內(nèi)部流體上，同時流體對壓電振子也有一個反作用，這一工作過程的仿真可以更準(zhǔn)確地預(yù)測微泵的輸出特性以及集成微泵式微流控芯片的工作特性。 文中采用結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格對無閥壓電微泵模型進(jìn)行離散化，其系統(tǒng)仿真需要用到CFD-ACE+中流場、電場、應(yīng)力場以及網(wǎng)格變形四大模塊。在數(shù)值計(jì)算過程中，不斷調(diào)整瞬態(tài)計(jì)算的時間精度、流體速度的空間差分格式以及迭代次數(shù)和時間步長，保證各個物理量

3、的平均殘差均低于1E-05。同時，應(yīng)用Fortan90語言對CFD-ACE+進(jìn)行二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)無閥壓電微泵瞬態(tài)流量輸出。對擴(kuò)張管元件的雷諾數(shù)進(jìn)行數(shù)值分析，其結(jié)果與德國TorstenGerlach等人的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合。建立微泵內(nèi)部流場的數(shù)學(xué)模型，對其擴(kuò)張角、擴(kuò)張比、泵腔深度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到適合加工的優(yōu)化結(jié)構(gòu)，擴(kuò)張角為9°，擴(kuò)張比為15，擴(kuò)張管最小截面積80×80μm，泵腔刻蝕深度為80μm。對由壓電體(1000×1000×200μm)和

4、硅基底(12000×12000×50μm)組成的正方形壓電振子進(jìn)行模態(tài)分析，得到其一階共振頻率為7.114kHz。無閥壓電微泵的流量隨著激勵電壓幅值的增大而增大，隨著頻率的增大變化趨勢復(fù)雜。壓電振子的最大位移和無閥壓電微泵流量隨著頻率的變化規(guī)律不完全相同表明：不考慮流體作用的壓電振子的變形所包圍的體積等價于微泵的輸出流量這一結(jié)論的不準(zhǔn)確性；低頻時壓電振子最大位移隨著頻率變化有一個峰值并不一定是微泵的共振頻率。在集成無閥壓電微泵的十字溝道