种新型无阀微泵的原理和模拟一一罗小兵李志信过增元种新型无阀微泵的原理和模拟罗小兵李志信过增元喷流动的基本原理实现对流体流动方向的控制，结构简单，工作频率高。对这种泵的工作状况进行了数值模拟和整体分析，结果表明这种泵流量大，在驱动器工作频率为1000Hz，喷口雷诺数为2500时泵送空气流量达6L/min罗小兵博士研究生近年来，微流动系统成为微电子机械系统中的一个重要领域，它在医疗保健环境控制化学分析和生物工程中有巨大的市场前景作为其中的一种，微泵目前已成为重要和有前途的一种流体输运器件。它一般可分为机械和非机械2类，前者有往复式和蠕动式2种，而后者有电液动力泵、超音速泵、电泳泵等几种。由于非机械类泵产生很小的泵压，结构复杂，工作时需要比较苛刻的条件，因此这类泵目前离应用还有不小的距离，能够较好应用的微泵一般是机械类泵在机械类泵中为了产生较大压力以形成有效泵送同时实现流动方向控制，一般需要阀门阀门的出现使得泵的响应速度变慢，工作频率降低，同时可动阀片材料的疲劳、失效和性能不稳定都会影响微泵的寿命。另外，大多数有阀泵在泵出冲程仍有流体回流现象出现，使泵送流量减少。EStemme和G.Stemme近来提出了一种新型的无阀机械微泵，它利用扩压管和喷嘴来实现对流体的整流，完成流动方向的控制。这种泵部分解决了有阀泵的一些问题，但它同样存在流体泄漏问题，另外，由于这种泵工作时对流动雷诺数有一定的限制，因此它的尺寸不可能太小。

　　本文依据合成喷流动的形成原理，提出了一种新型无阀机械类微泵，它的流量较大，文章对它的工况进行了数值模拟和分析说明1合成喷概念及特点在引入这种泵的设计前，先介绍一下合成喷的概念，这也是本文要提出的泵工作的基本原理。是合成喷的一个流动示意图，图中喷口对面的驱动器产生往复振动，腔体内流体得以压缩与膨胀，从而形成腔体内压力的波动，导致流体流出和吸入腔体在吸收冲程，流体从孔隙周围的区域进入腔体，而在压缩冲程，流体则从孔隙流出腔体。在流体流入周围空间时，流出流体和周围流体之间形成一个剪切层，这层涡旋将卷绕形成一个涡环（在2维情况下是涡对），它在自引作用下离开腔体向下游运动。与此同时，随着驱动器薄膜往回运动，流体将从小孔附近被吸入空腔，而涡环此时已远离腔体，因此不受吸收过程影响，这样一系列的涡环将形成，这些涡环在运动过程中将经历不稳定及破碎等过程而形成紊流喷3T（处于压缩冲程）时的速度分布图，是0.8T（处于吸收冲程）时的速度分布图，这里T表示驱动器的一个振动周期。从2图可见，无论是合成喷的吸收冲程还是压缩冲程，合成喷的主流速度总是向外的当合成喷处于吸收冲程时，流体从喷口周围吸收流体进入腔体由于合成喷是依靠驱动器振动工作的，因此显然在一个周期内腔体内的净质量流量为零，0t8T时的流动分布图。在中，泵处于前半个工作周期，这时流体从腔体内喷出，绝大部分流体通过隔离板中间的流道进入到B区中，只有相当少的一部分流体进入到A区在中，泵处于后半个工作周期，流体从A区进入到腔体中，但由于流体的惯性作用，此时仍有一部分流体进入到B区。

　　动区域分成2部分：隔离板侧面及下方为A区，上方为B区依据前面介绍的合成喷流动原理，流体将从A区通过驱动器被泵送进入B区。

　　3流动模拟3.1计算模型及方法本计算中，工质取为气体，一般来说泵中的流动是一个不可压缩瞬态湍流问题，采用雷诺时均N-S方程，有如下控制方程：这里湍流模型采用低雷诺数模型，同时由于泵的流动过程为瞬态过程，因此本文采用PISO算法泵中的流动与腔体上的喷口密切相关，对这场而言，喷口处的吸收和喷射是一个扰动，也是泵体计算中重要的一个边界对这一边界问题，可用如下方程：所示栗所示栗8T时流场分布个周期内的流量图。从可见，泵运行的一个周期内，腔体内的净质量流为零而由可见，在一个周期的大部分时间内，流体从A区流向喷口，只有在0.1T~0i43r之间有少量的流体从喷口流回A区，这一点对流体的输运是不利的，它减少了泵送流量，但从整体上看这量总和是比较少的反映了B区的流量在一个周期内的变化关系，由于腔体在一个周期内净质量流量为零，种新型无阀微泵的原理和模拟一一罗小兵李志信过增元出入喷口的流体流量在一个周期内的变化（正的为流入）出入A区的流体流量在一个周期内的变化（正的为流入）出入B区的流体流量在一个周期内的变化（正的为流入）因此B区的流体实际上都是从A区输运过来的，这意味着即是这种泵的流量随时间的变化图。从图中可见，泵在前半周期内流量要大于后半周期，但总体上看这量的平均量级为10-4kg/s，本文计算中采用的是空气，因此这量大约为6L/min，由此可见这种泵的流量是较大的。这主要是由于这种泵在压缩和膨胀冲程均有流量泵出，另外这种泵的工作机理导致它在泵送时可以在比较高的频率下运行，因此对这种泵而言，少量的回流不会太多地影响泵送流量，它完全可以无阀工作与一般的机械类微泵类似，上述泵的工作主要取决于腔体内的压力变化，这完全是由驱动器性能决定的，因此对本文提出的微泵只要调整驱动器的振幅和频率就可以实现对泵送过程的控制。

　　上面的分析是基于泵送气体，在泵送液体时，由于流体密度较大，因此对驱动器性能要求更高，一般而言，选择大振幅和较高频率的驱动器是有助于提高泵送流量的4结论本文提出了一种新型的输运流体的无阀微泵，它利用合成喷流场形成的原理来实现流动方向的控制，相比现有的微泵，其结构简单，工作频率高泵在工作前半周期，流体从腔体中流出，进入到泵送目的地，而在后半周期，流体从源处进入到腔体中，同时由于惯性作用一部分流体流向目的地，泵如此往复工作达到将源地流体输运到目的地的效果，而腔体相当于一个暂时储存流体的过渡容器对这种泵的数值模拟和分析表明，通过改变驱动器的振幅及频率即可实现控制；泵的流量大，驱动器工作频率为1000Hz，喷口雷诺数为2500时泵送空气流量可达到6L/min