无阀微泵多场耦合数值模拟及降阶建模

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1、浙江大学硕士学位论文摘要无阀微泵作为微机电系统中一类重要的微流体动力源，在众多领域具有非常广阔的应用前景。在微泵研制的过程中，性能预测非常重要，然而传统的实验研究往往在样机试制之后才能获知具体的性能，并且只能得到输出流量和压力，难以获知微泵内部的流动特性。而获悉微泵的内部流动特性，对研究微泵的机理以及结构设计具有积极的指导作用。微泵的未来发展，关键在于研发的样机能否实现产业化，这在很大程度上取决于如何有效地把计算机模拟引入到微泵的设计当中。因此，本文以数值模拟和降阶建模为基础，对涉及静电．结构．流体三场耦合的静电微泵展开研究，主要包括以下几个部分的内容：1．简单

2、地阐述了微流体的特性，给出了宏观流体力学理论的适用范围，并以流体力学理论为基础，从理论上证实了无阎微泵具有定向输送流体的功能，推导了无阀微泵的输出流量方程；通过有限元软件ANSYS／Flotran对扩张管和收缩管内流体特性进行了数值模拟。2．介绍了流固耦合力学的理论，流固耦合问题的分类和特点；以泵膜的结构动力学方程为基础，把流体的质量矩阵叠加到结构的质量阵上，得到了微泵流固耦合系统的无阻尼振动方程，并利用有限元软件建立了泵膜．腔内流体耦合的有限元模型，分析了微泵的结构尺寸和腔内流体压力对泵膜湿模态的影响。3．以数值计算和模态叠加法为基础，建立了静电微泵中静电驱动

3、单元的降阶模型，利用该模型模拟了静电泵膜的静动态特性，并参数化研究了残余应力．泵膜厚度、泵膜半径、极板初始间隙对静电微泵吸合电压和吸合位置的影响；最后还以有限元提取的参数为基础，在Matlab／Simulink模块中通过添加非线性的比较和切换元件，完善了降阶模型的模拟功能，准确地模拟了泵膜的动态吸合．释放过程。4．利用计算流体动力学软件CFD．ACE+，建立了无阀静电微泵的全耦合模型，求解时考虑了静电．结构．流场之间的相互作用，研究了静电微泵的动态吸合过程，得到了微泵内部的详细信息，还利用全耦合模型研究了不同驱动频率、不同背压下微泵的特性。此外，根据文献中提供的

4、信息，建立了简化的固定边界模型，将三场耦合的复杂问题简化成纯流场问题，对两种模型进行了比较研究。结果表明：固定边界模型在虽然能够降低模拟过程中的求解花费，却无法准确地描述流体对泵膜的影响，各项模拟结果都存在很大程度的失真，而全耦合模型能准确地刻画微泵的工作过程，却要付出巨大的计算代价．关键词：无阀微泵；静电驱动；降阶建模；流固耦合；计算流体动力学II浙江大学硕上学位论文AbstractAsoneofthemostimportantmicro-·fluidpowersourcesofmicro··electro··mechanicalsystem,valveles

5、smicropumphasaverybroadapplicationprospectsinmanydifferentfields．Topredicttheperformanceofmicropumpisveryimportantandnecessaryintheprocessofreaschanddevelopment．However，conventionalexperimenttestsareimpossibletoinvestigatethemicropumpspecificcharacteristicsbeforetheprototyping，andit’

6、Sdifficulttostudytheinsideflowcharacteristicofmicropump，andonlytheouputvolumeflowrateandpressurearestudied．Toresearchthemicropumpmechanismandprovidethedesigncriteriaforstructm'aldesign，theinsideflowcharacteristicsofmicropumphavetobestudied．Thekeytofuturedevelopmentofmiropumpiswhether

7、theR&DprototypeCanbesuccessfullyusedtorealizeindustrialization，whichlargelydependsonhoweffectivelythecomputersimulationtechnologyappliedtothedesignofmicropump．Therefore，inthispaper，theelectrostaticmicropumpinvolvingelectrostatic·-structure··fluidthreephysicscouplingisinvestigatedbase

8、donnumerical