電滲流泵的流體動(dòng)力學(xué)分析.pdf

1、微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS:microelctromechanical systems)的研究始于上個(gè)世紀(jì)的八、九十年代,目前已經(jīng)成為一股潮流.與此同時(shí),液體在微系統(tǒng)中的流動(dòng)問(wèn)題也就成了工程界所面臨的一個(gè)難題.早期的微泵研究始于上世紀(jì)七十年代,當(dāng)時(shí)的微泵都是機(jī)械式的--都有一個(gè)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械部件.這種微泵所能承受的背壓不超過(guò)一個(gè)大氣壓,且液體的流動(dòng)方式是脈動(dòng)的,流量也不大,每次脈動(dòng)大約122nl,構(gòu)造相對(duì)復(fù)雜.隨著研究的深入,出現(xiàn)了沒(méi)有機(jī)械運(yùn)

2、動(dòng)部件的微泵,以這類(lèi)微泵為動(dòng)力源的流動(dòng)方式是連續(xù)的.按原理它們可以分為電流體驅(qū)動(dòng)(electrohydrodynamics)微泵,超聲波(ultrasonic)微泵,磁流體驅(qū)動(dòng)(magnetohydrodynamics)微泵等.但是這些微泵要么對(duì)液體的傳導(dǎo)率要求過(guò)嚴(yán),要么耐背壓能力有限,且流量都很小,這使得它們的應(yīng)用受到很大限制.電滲流(EOF:electroosmotic flow)微泵是基于界面化學(xué)、靜電場(chǎng)、流體力學(xué)等理論開(kāi)發(fā)出的微

3、泵.它有效地克服了流量小、承載(背壓)低等難題,且它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,流動(dòng)方式是連續(xù)的.正因?yàn)檫@些優(yōu)點(diǎn)我們有理由相信基于電滲流機(jī)理的微泵必將成為微機(jī)電系統(tǒng)中主導(dǎo)型的微泵.而且它的應(yīng)用不局限于微機(jī)電系統(tǒng),它在醫(yī)療中的藥物輸送,工、民用的兩相流制冷,甚至宇航科技中都有著廣闊的應(yīng)用前景.該文中詳細(xì)敘述了關(guān)于外加垂直電場(chǎng)的Laplace方程、關(guān)于zeta電勢(shì)的Poisson-Boltzmann方程和關(guān)于整個(gè)液體的Navier-Stokes方程的建立過(guò)程

4、.對(duì)于這些方程用數(shù)值方法求解.其中離散的方法是無(wú)網(wǎng)格法(meshless/meshfree),而對(duì)Poisson-Boltzmann方程用殘值最小法構(gòu)造非線性算法,對(duì)Navier-Stokes方程用二步法——用時(shí)間離散把非線性方程轉(zhuǎn)化成各步線性的,然后各步再作空間離散.在數(shù)值實(shí)現(xiàn)時(shí),用C++和Matlab C++數(shù)學(xué)庫(kù)去編程,從而使兩者優(yōu)勢(shì)互補(bǔ).最后討論了EOF的流型、驅(qū)動(dòng)過(guò)程、zeta電勢(shì)對(duì)流速的影響、外加垂直電勢(shì)對(duì)流速的影響、管徑對(duì)