超聲波驅(qū)動(dòng)微流體及聲流邊界層的數(shù)值研究.pdf

1、超聲波微流控技術(shù)在近些年發(fā)展迅速，相比其他一些常用的微流體驅(qū)動(dòng)方法（微閥，電學(xué)、磁流體驅(qū)動(dòng)，光攝）有著它獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和發(fā)展前景，其原理在于聲場(chǎng)能量的耗散轉(zhuǎn)變?yōu)榱黧w能量形成穩(wěn)定的聲流。由于在微尺度條件下，表面力、粘性力占主導(dǎo)作用，研究邊界層聲流的流動(dòng)特性對(duì)認(rèn)清聲流效應(yīng)的作用機(jī)理和微流體驅(qū)動(dòng)器件的應(yīng)用意義重大。近些年，對(duì)超聲波微流控器件的研究大多采用實(shí)驗(yàn)方法，對(duì)其機(jī)理研究較少，并且聲流的非線性特征使得傳統(tǒng)近似的理論分析方法無(wú)法準(zhǔn)確的描述聲流現(xiàn)

2、象。為此，本文采用直接計(jì)算氣動(dòng)聲學(xué)（Computational Aeroacoustics）方法，發(fā)展了CE/SE（Conservation Element&Solution Element Method）算法（守恒元/解元算法），對(duì)體聲波（Bulk Acoustic Waves）作用下的微流體驅(qū)動(dòng)機(jī)理進(jìn)行數(shù)值分析。該研究具有很好的理論意義，可以深入地理解超聲波聲流效應(yīng)的作用機(jī)理，并發(fā)掘聲流驅(qū)動(dòng)器件潛在的發(fā)展前景。具體工作包括：

3、　　1)完成CE/SE算法的驗(yàn)證。CE/SE相比一般的CAA格式有著以下的顯著優(yōu)勢(shì)：高分辨率，構(gòu)造簡(jiǎn)單，邊界處理容易，非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格適應(yīng)性好。
　　2)完成滑移邊界和無(wú)反射邊界的驗(yàn)證。當(dāng)克努森數(shù)0.01　　3)研究平板邊界層聲流的流動(dòng)特征。研究平面體聲波在水平平板上造

4、成的邊界層流動(dòng)（聲流邊界層），根據(jù)平板流向和法向的非穩(wěn)態(tài)速度、壓力、密度等物理量的瞬時(shí)流動(dòng)和平均流動(dòng)，分析邊界層流動(dòng)特性和邊界層內(nèi)流及外流的能量轉(zhuǎn)化規(guī)律。同時(shí)對(duì)比分析了不同雷諾數(shù)下的邊界層流動(dòng)。
　　4)研究二維管道聲流和超聲波的微流驅(qū)動(dòng)效應(yīng)。對(duì)比分析了不同管道直徑和激勵(lì)頻率對(duì)驅(qū)動(dòng)流的影響，總結(jié)管道聲流的最大驅(qū)動(dòng)效率與管徑和激勵(lì)頻率的匹配規(guī)律。
　　5)初步研究以傳熱為代表的超聲波聲流效應(yīng)的作用機(jī)理。討論超聲波對(duì)二維平行恒溫