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在机械式微泵中,由于压电微泵的驱动方式简单、可集成度较高、易于实现微型化,因此得到了广泛的关注。随着微流体技术的不断发展,无阀微泵凭借其独特的优势正逐渐成为研究的热点,但是传统的无阀微泵流量小,输出不连续,在实际应用中还存在着较大缺陷,对此,本文提出一种新型的合成射流无阀微泵。该微泵将合成射流技术作为驱动方式,采用立体结构,大大提高了泵送流量而且实现了流量的连续输出。
为了探讨该新型微泵的内部流场特征、设计影响因素以及设计方法,本文具体展开的工作主要有以下几个方面:
1.对无阀压电微泵中流管的发展过程进行了梳理,简要介绍合成射流技术,对压电式合成射流微泵目前现状进行总结概括;采用集总参数建模方法对合成射流器进行了建模分析,推导出了在膜片和喷口处的振动位移及速度表达式。
2.提出所设计的新型压电式合成射流微泵结构,阐述了该微泵的工作原理,通过对微泵的驱动元件——压电振子的理论分析,得到压电振子的位移表达式,采用APDL参数化语言对三种类型的压电振子进行有限元分析,选定性能较好的一个压电振子作为微泵的驱动元件,确定了其振动位移函数。
3.在确定合成射流激励器结构的情况下,对设计的合成射流微泵进行数值模拟。首先对所选用的计算模型、控制方程和湍流模型进行了简要介绍,然后确定了对膜片振动的数值模拟方法,选用合适的计算步长和计算周期验证了所采用的计算方法的可行性,最后进行了网格无关性分析。通过分析计算结果找到了影响该泵性能的三个主要因素和两个次要因素,在不同速度范围内,对空气和水两种介质得到的计算结果进行了分析。
4.提出合成射流微泵的较为准确详细的设计准则。该设计准则是基于在合成射流激励器流场的准确数值模拟基础上绘制出的沿轴向上各点的速度分布曲线,通过分析曲线,找到对应的流量最大和最稳定的点,然后,绘制出该点的展向速度分布曲线,通过该曲线确定出口直径的大小,这种方法设计出的微泵出口流量最大且最稳定。
本文设计的微泵结构实现了流量的连续输出,且提出的设计方法能够较为准确的找到对应于选定合成射流激励器的流量最大值时的参数,对于该类型微泵有较为重要的研究意义。