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微小型粘性泵的内部流动基础研究

作　者: 李金伟
导　师: 刘树红
学　校: 清华大学
专　业: 动力工程及工程热物理
关键词: 微型机械 MEMS 粘性泵 PIV技术可视化测量
分类号: TH38
类　型: 硕士论文
年　份: 2005年
下　载: 114次
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内容摘要

70 年代中期,美国在研制微型传感器时,首次使用了“微型机械”一词,微型机械是特征尺度在毫米、微米量级的机械。80 年代后期,微型机械技术与微电子控制技术相结合,诞生了微电子机械系统(MEMS),微流动系统是 MEMS 的一个重要分支,近年来已经成为热门的研究领域。作为一个重要的微流动系统的执行器件,微小型泵是其发展水平的重要标志。近十几年来,微小型泵的制造技术有了很快的发展,目前虽然有多种微小型泵已经投入运行,然而大多数研究只是集中在微小型泵的制造工艺及驱动方式上,研究人员对其内部的流动规律的认识还处于相对落后的阶段。只有对微小型泵的内部流动规律进行深入的研究,才能更好的实现微小型泵的性能预测和优化设计。本文制作加工了两种不同尺寸的微小型粘性泵,并设计了整个试验系统。利用 PIV(Particle Image Velocimetry)技术对粘性泵的内部流动进行了可视化测量,对采集到的数据进行进一步地分析得到了粘性泵的内部流线分布、出口端面的速度分布,以及出口端面的平均速度与体积流量随着试验参数变化而变化的规律,对粘性泵的内部流动特性进行了比较深入地研究探讨。进行试验之外,本文还以粘性泵的内部流场为数值计算对象,对其划分非结构化网格,采用有限体积法对控制方程进行离散以及 SIMPLEC 方法对速度压力进行耦合求解,固体壁面采用无滑移无渗透边界条件,固液交界面采用无滑移边界条件,自由液面采用零剪切边界条件,对整个内部流场进行了数值模拟计算,得到了比较丰富的内部流动特性。最后对试验与计算结果进行了比较分析,互相验证了两种结果的准确性与有效性。这为以后在很难进行试验的情况下进行计算提供了理论依据,并可在数值计算的基础上对粘性泵的结构进行优化设计,以达到改善粘性泵的特性的目的。

全文目录

第1章引言  7-12
  1.1 微小型泵的发展现状  8-11
  1.2 本文的主要研究工作  11-12
第2章微小型粘性泵与试验系统简介  12-19
  2.1 微小型粘性泵  12-14
  2.2 试验系统  14-19
    2.2.1 控制部分  14-15
    2.2.2 测量采集系统  15-19
第3章微小型粘性泵的PIV 试验研究  19-31
  3.1 PIV 试验测量方法及步骤  19
  3.2 试验测量区域  19-20
  3.3 大尺寸粘性泵的试验结果及分析  20-25
  3.4 小尺寸粘性泵的试验结果及分析  25-30
  3.5 本章小结  30-31
第4章流动基本方程和数值计算方法  31-44
  4.1 基本方程  31
  4.2 数值求解问题的基本思想  31-32
  4.3 区域离散网格生成技术  32-34
    4.3.1 非结构化网格技术  32-34
    4.3.2 滑移网格技术  34
  4.4 控制方程的离散  34-36
  4.5 对流－扩散方程离散格式  36-40
    4.5.1 几种差分格式  37-38
    4.5.2 对流项离散  38-39
    4.5.3 压力梯度项离散  39-40
  4.6 压力与速度耦合关系处理  40-44
第5章微小型粘性泵的数值计算  44-70
  5.1 计算对象  44-45
  5.2 大尺寸粘性泵的计算结果与分析  45-55
    5.2.1 流线、速度与流量  45-52
    5.2.2 扬程、功率、效率  52-55
  5.3 小尺寸粘性泵的计算结果与分析  55-61
    5.3.1 流线、速度与流量  55-58
    5.3.2 扬程、功率、效率  58-60
    5.3.3 大尺寸与小尺寸粘性泵的比较  60-61
  5.4 计算与试验结果的比较分析  61-69
    5.4.1 大尺寸粘性泵的结果比较分析  61-65
    5.4.2 小尺寸粘性泵的结果比较分析  65-69
  5.5 本章小结  69-70
第6章结论  70-72
参考文献  72-75

微小型粘性泵的内部流动基础研究

内容摘要

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