微流体孔道中声表面超声驻波分离机油中杂质粒子初步研究

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利用叉指换能器(IDT)可以产生声表面波驻波场,可使流体中悬浮的颗粒产生声辐射力。通过合理设计微流体芯片以及选择IDT的参数可以将颗粒移动到特定位置,因此用声表面波来分离流体中的悬浮颗粒是一种极好的物理方法。由于传统的分离方法和设备存在各种各样的局限,而声表面波分离方法却具有连续性、无接触性、精度高等优点,在生物医学领域、微流控领域等已经得到了广泛的应用,而且在航空航天领域等也将有极大的潜在应用价值,已经引起了越来越多领域研究人员的关注。   微流控芯片是一种利用声辐射力来进行粒子分离的装置,可以将其应用于机油中杂质粒子的净化。本文根据叉指换能器(IDT)的结构,结合声表面波驻波场的相关理论和声辐射力的相关理论,尝试对机油中的杂质粒子进行了分离。研究工作主要包括以下几个部分:   (1)通过分析整理国内外学者的大量研究成果,进一步分析了叉指换能器的构造及其产生声表面波(SAW)的物理本质、以及叉指换能器和声表面波的特性等,并从固体中的声波方程出发,推导了声表面波波动方程,阐述了驻波场的产生机理;   (2)根据粘性流体中处于声表面波驻波场作用下的小球的受力状态,建立了微流体孔道粘性流体中粒子的受力模型,分析了粒子在不同场作用下的受力情况。对粒子运动进行了预分析,通过牛顿第二定律建立了粒子运动方程,得到了受到声辐射力作用的粒子在不同阶段的运动情况以及粒子运动轨迹模拟曲线。研究了不同参数(粒子半径、频率和最小声能密度等)对粒子运动规律的影响,并通过MATLAB模拟了不同频率下粒子的不同轨迹。   (3)在前人研究与实验的基础上,研究了微流体孔道及叉指换能器的参数及构造要求,设计并采用光刻法制备了特殊规格的微流控芯片,通过实验观察了声辐射力作用下粒子的运动情况及分离效果,并与无声辐射力作用时的情况相比较;重点观测并分析了声辐射力作用下粘性流体中杂质粒子的分离效果。结果表明,特定粒径的粒子在受到声辐射力作用后会向微孔道中间声压节点处移动,并最终在孔道中间聚集成一条细线的形状,随着流体的运动从中间管道流出,而相对干净的流体从两侧孔道流出,达到分离效果。
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