随着社会科学技术不断向精密化方向发展,微流控动力系统随之崛起。微泵作为微流控系统的“发动机”,一直是国内外学者研究的热点话题,应用领域涉及生物医疗、化学分析、电子冷却等。无阀压电微泵凭借结构简单、耐疲劳能力出色、抗电磁干扰强等优势,在微泵领域一直扮演着重要角色。本文基于多种微泵结构的研究,将锥管结构与附壁射流元件结合起来,采用左右对称的双腔并联布置方式,提出一种带锥管的双腔并联附壁射流无阀压电微泵。双腔并联的布置方式、附壁射流元件以及锥管的有效结合,极大地提高了微泵流量。以下是本文的研究内容和主要结论:1.基于微尺度流动、压电振子、锥管以及附壁射流的相关理论,介绍了带锥管的双腔并联附壁射流无阀压电微泵的结构设计和工作过程,推导出微泵的净流量和容积效率的计算公式。对单腔附壁射流无阀压电微泵和单腔锥管无阀压电微泵分别进行试验研究和数值模拟,验证了数值模拟的准确性。介绍了单腔附壁射流无阀压电微泵和单腔锥管无阀压电微泵的加工流程和试验过程,数值模拟设置选用SST湍流模型、动网格边界条件,结果表明锥管微泵和附壁射流微泵的试验与模拟结果偏差分别为8.21%和13.6%。通过边界条件分析、网格无关性分析、周期数与时间步长无关性分析,确定了带锥管的双腔并联附壁射流无阀压电微泵的模拟设置:选用速度边界条件计算120万网格模型四个周期内的运作,时间步长设置为1/100f。利用这种数值模拟方法对微泵进行了初步探究:在驱动频率为100Hz,振子最大位移大于3.07μm时,双腔并联微泵的出口净流量一直高于其它两种微泵。2.探索带锥管的双腔并联附壁射流无阀压电微泵的驱动参数与结构参数对微泵出口净流量的影响。驱动参数方面考虑了驱动相位差、雷诺数和驱动频率的影响,模拟结果表明:微泵在驱动相位差为180°时具有较高的出口净流量;当雷诺数一定时,驱动频率的加快造成微泵出口净流量的减小;驱动频率一定时,雷诺数越大微泵出口净流量越高。结构参数主要讨论了附壁射流角度θ、锥管角度α、汇流管长度l1、分流管长度l2、锥管长度l3以及分流管宽度比c1/c2。各参数的变化范围为:θ=15°～75°,α=0°～45°,l1=0.6～1.6mm,l2=0.5～1.75mm,l3=0.5～6mm,c1/c2=0.3～1。驱动参数设置为雷诺数Re=500,驱动频率f=50Hz,相位差φ=0°。模拟结果表明:除了分流管长度和锥管长度,其它四种参数随着参数值不断增大,出口净流量先增大后减少;随着分流管长度的不断增大,微泵出口净流量总体呈现下降趋势;当锥管长度不断增大时,微泵出口净流量持续增加,但增长速率不断减小。综合得出各参数的最优区间:θ=40°～60°,α=4°～12°,l1=0.8～1.1mm,l2=0.5～1mm,l3=4～6mm,c1/c2=0.4～0.6。3.根据各参数的最优区间进行响应面优化。首先采用距离相关系数法挑选出5个对微泵流量影响明显的结构参数:附壁射流角度θ、锥管角度α、汇流管长度l1、分流管长度l2和锥管长度l3。利用Design Expert软件选用BBD模型规划出46组优化试验设计,并通过CFX数值模拟得到出口流量值。通过F检验和R2检验对多种回归方程模型进行对比,选用二次方程回归模型作为优化预测模型。由交叉项的等高线图和响应曲面分析得:附壁射流角度θ和汇流管长度l1的相互作用对微泵出流量影响最大。最终确定最优结构参数组合为:附壁射流角度θ=49.4°,锥管角度α=9.83°,汇流管长度l1=1.07mm,分流管长度l2=0.750mm,锥管长度l3=5.08mm,微泵出口净流量的最大值可达1.652m1/min。将46组试验组中流量最高的模型与优化后的模型做对比,优化后微泵出口流量提高了 0.028 ml/min,并比较了初始模型与最优模型内流场的流线图,发现优化后的结构尺寸更加有利于旋涡的发展。