无阀压电微泵是利用压电振子施加电压后的机械振动实现流体传输的一种新型流体输运部件,可以在较低电压下获得较好的输出能力,结构简单,易于加工和微小型化,是需要小流量、精确控制、连续输出的微全分析系统中最重要的流体驱动器件之一。 本文采用多物理场耦合软件CFD-ACE+对无阀压电微泵进行三维动态数值计算研究。通过对无阀压电微泵结构的优化,压电-应力-流体耦合场的数值计算以及将微泵集成到十字沟道微流控电泳芯片上的系统仿真,深入研究微型化后微泵的输出特性和可应用性。在正弦电压激励下,压电振子的形变作用在微泵内部流体上,同时流体对压电振子也有一个反作用,这一工作过程的仿真可以更准确地预测微泵的输出特性以及集成微泵式微流控芯片的工作特性。 采用结构性网格对无阀压电微泵模型进行离散化,其系统仿真需要用到CFD-ACE+中流场、电场、应力场以及网格变形四大模块。在数值计算过程中,不断调整瞬态计算的时间精度、流体速度的空间差分格式以及迭代次数和时间步长,保证各个物理量的平均残差均低于1E-05。同时,应用Fortan90语言对CFD-ACE+进行二次开发,实现无阀压电微泵瞬态流量输出。 对扩张管元件的雷诺数进行数值分析,其结果与德国Torsten Gerlach等人的实验结果相吻合。建立微泵内部流场的数学模型,对其扩张角、扩张比、泵腔深度进行优化设计,得到适合加工的优化结构,扩张角为9°,扩张比为15,扩张管最小截面积80×80μm,泵腔刻蚀深度为80μm。对由压电体(1000×1000×200μm)和硅基底(12000×12000×50μm)组成的正方形压电振子进行模态分析,得到其一阶共振频率为7.114kHz。无阀压电微泵的流量随着激励电压幅值的增大而增大,随着频率的增大变化趋势复杂。压电振子的最大位移和无阀压电微泵流量随着频率的变化规律不完全相同表明:不考虑流体作用的压电振子的变形所包围的体积等价于微泵的输出流量这一结论的不准确性;低频时压电振子最大位移随着频率变化有一个峰值并不一定是微泵的共振频率。在集成无阀压电微泵的十字沟道微流控电泳芯片的系统仿真中,微泵可以正常工作,微流控芯片的进样通道中流体流动状态稳定,验证了无阀压电微泵微型化后的可应用性,同时也为微全分析系统的微型化集成化提供参考依据。