微流體慣性開關中液體的流動特性研究.pdf

1、針對現(xiàn)有微流體慣性開關存在的流動液體選擇單一、抗干擾能力差、缺少對開關內(nèi)液體流動特性研究等問題，本篇論文從流動角度出發(fā)，研究了液體在微通道中的流阻特性、分析了液體突破毛細被動閥的突破過程和預測模型、提出一種考慮表面張力影響的瞬態(tài)流動模型、開展了基于鎵銦液態(tài)金屬和磁流變液的微流體慣性開關的可行性研究，旨在為微流體慣性開關的設計提供理論參考，并在一定程度上拓寬其使用范圍。
　　1)介紹了一種基于特征尺寸(√A)的常截面微通道內(nèi)壓降的計

2、算方法，得到了不同截面內(nèi)fRe的表達形式，通過與現(xiàn)有研究結果比較，驗證了理論計算的合理性。針對液體在漸變矩形微通道中壓阻問題，利用幾何邊界條件和傳統(tǒng)常截面矩形微通道中范寧阻力經(jīng)驗公式，提出一種壓降預測模型;利用CFD仿真軟件進行模擬，結果表明當收縮角小于12°時，理論和仿真結果吻合較好。
　　2)針對被動閥突破過程的不統(tǒng)一性，綜合分析了被動閥的突破原理和三維突破過程。根據(jù)彎曲界面所對應圓心角的不同，將突破過程劃分為三個階段，并得到

3、了每個階段的界面壓力表達式;采用可視化離心平臺，驗證了被動閥的突破過程和突破壓力。結果表明，所得到的三維模型可合理的預測液體突破被動閥的突破壓力，所劃分的突破階段可合理的描述液體突破被動閥的整個過程。
　　3)以離心力為背景，提出了一種基于N-S方程的瞬態(tài)流動數(shù)學模型?？紤]到液體前端表面張力的影響，通過對前后端表面壓強的簡化處理，得到微通道內(nèi)液體的瞬態(tài)流場。采用CFD仿真和試驗相結合的方法對模型進行驗證分析，結果發(fā)現(xiàn)，初始壓強和表

4、面張力對液體的流動有較大的影響，特別是對結構尺寸較小的微通道;在轉速相同的情況下(300rad/s)，截面尺寸越大，科氏力越明顯，導致流體從近似一維流動發(fā)展為三維流動。所建立的瞬態(tài)流動模型與仿真、試驗吻合較好，能夠合理的描述瞬態(tài)流場的變化規(guī)律。
　　4)以鎵銦液態(tài)金屬液滴為移動電極提出了一種可自行恢復式微流體慣性開關裝置。利用自制馬歇特沖擊試驗臺，測得開關幾何尺寸和流動液體對閾值大小、響應時間以及接電時間的影響。結果表明，對微通道

5、內(nèi)表面的特殊處理，有效的解決了鎵銦液態(tài)金屬的壁面殘留問題;開關具有快速接電、斷電以及可自動恢復等特性。
　　5)提出將智能材料磁流變液應用到高g值微流體慣性開關的設計方法。通過對磁流變液流變特性的力學建模，得到了磁流變閥的閾值模型以及流速分布。利用數(shù)值模擬和仿真分析對磁場下磁流變液的流動性能進行分析驗證。結果表明，磁場越大，屈服應力越大，流速越小;中心層厚度隨著慣性力的增大而減小，當中心層厚度為h（極限值）時的慣性力則為磁流變液微