基于压电－固－液耦合的无阀压电泵内部具有旋涡的瞬变流动机理研究

Valveless piezoelectric pump is widely used in the field of bio-chip, chip liquid cooling and micro-clinical drug infusion.To explore the mechanism of its internal liquidity is an important research direction of the pump field. This project for the transient flow vortex in the pumps of the kind, applicants to the flow tube scales of less than 120μm valveless piezoelectric pump for the study, the use of fluid dynamics and piezoelectric basic theory, and theoretical analysis, numerical computing and Micro-the PIV experiment of combining research methods in the Knudsen number is less than 10 within the flow tube transient flow resistance characteristics; piezoelectric - solid - liquid coupling flow field calculation; the driving frequency from 50 to 500Hz range. the test prototype of the internal flow field, velocity and pressure distribution; analysis of structural parameters on the vortex location, scale and sports law, and vacuole-born, develop, cOLLAPSE. Preliminary study of this project has made some progress, the project is expected to reveal the pump internal vortex motion and air flow characteristics; to establish a better theoretical model of transient flow within the description of the valveless piezoelectric pump; proposed flow, the role of head of integration and media concept. The results will greatly enhance the valveless piezoelectric pump with internal transient flow characteristics of the cognitive level, to provide a scientific basis for the development of high performance piezoelectric pump.

无阀压电泵广泛应用于生物芯片、芯片液冷及临床药物微量输液等领域，探索其内部流动机理是该泵领域的重要研究方向。本项目针对泵内特有的具有旋涡的瞬变流动进行研究，申请者以流管尺度小于120μm的无阀压电泵为研究对象，运用流体动力学和压电基础理论，采用理论分析、数值计算及Micro-PIV实验相结合的研究方法，在Knudsen数小于10范围内，研究流管瞬态流阻特性；进行压电－固－液耦合流场计算；在驱动频率50～500Hz范围内测试样机内部流场，获得速度和压力分布；分析结构参数对涡流位置、尺度和运动规律以及空泡初生、发展、溃灭的影响。本项目前期研究已取得一定进展，项目预期将揭示泵内部旋涡运动及空化流动特征；建立描述无阀压电泵内瞬变流动较完善的理论模型；提出流量、扬程集成度和介质作用度概念。研究结果将大幅提高对无阀压电泵内部瞬变流动特性的认知水平，为研制高性能无阀压电泵提供科学依据。

微流体系统是MEMS的重要分支，压电微泵为微流体系统的核心部件。无阀压电微泵没有阀结构损伤或堵塞的风险，具有结构简单，质量轻易于微型和集成化的特点。广泛应用于微量药物注射、化学分析、微混合器、微动力系统、轴承润滑、燃料供给、芯片实验室、环境检测、航空航天等领域，在近年得到了飞速发展，成为科学家们研究的热点。微泵性能很大程度上取决于进出口微流管双向流阻比大小，除具有流量脉动外，在低Re下泵送能力受到严重限制。无阀压电微泵是由微流道内的流动和振子相互耦合的复杂系统，涉及电-固-液多个物理场的耦合，具有强烈的非定常特性。课题主要研究内容：1、研究无阀压电泵内部非定常流动的特征，探究其流体动力学模型；2、研究流管瞬态流阻特性3、利用CFD软件，进行泵内流场数值计算，研究泵腔及流管形状对泵内非定常流动的影响；探索结构参数对涡流尺度、位置及其运动规律、泵内部流动稳定性的影响机理；4、利用高速数码摄像等设备追踪无阀压电泵内部流场的旋涡运动；探究结构参数对涡流尺度、位置及其运动规律的影响，探索无阀压电泵内部瞬态流动机理；5、借助高速数码摄像等设备追踪泵内空化现象。获得如下重要结果：1、发现无阀压电泵内部流动中存在显著的附壁流动，提出一种基于附壁效应无阀压电泵，容积效率可达50%以上；2、非稳态流动中微流管内产生的旋涡运动增加了流动阻力，且旋涡运动的持续时间越长，通过微流管的净流量越小；3、流量变化滞后于压力变化，且Wo越大，压力幅值越小，相位差越大；4、微流管的流阻特性随压降和几何尺寸变化会发生质的改变：正反向流动阻力反向；5、研制出一种三腔附壁—合成射流无阀压电微泵，实现了流体的双向输送；6、发现内部流场具有射流卷吸涡，提出了一种合成射流压电微泵。一些关键数据及其科学意义如下：1）根据流阻系数比λ是否大于1，将流管分成Ⅰ型流管（λ>1）和Ⅱ型流管（λ<1），为流管的正确设计提供了科学依据；2）当Re在 300 ～ 3 000，锥管角度在 5 ～ 40° 时，扩散方向流动存在稳定、附壁和射流3种状态，充分认识了微流管中流动的瞬变过程；3）由于射流主流的扩散以及旋涡对（环）能量的耗散，当泵腔高度和出口直径分别为合成射流激励器出口直径的35倍和15倍时，泵流量最大；4）双腔附壁—合成射流无阀压电微泵频率超过30Hz时 ，实现连续出流，泵流量可达9.3ml/min ，容积效率达1.93。