超声行波微流体驱动模型动力学分析

超声行波微流体驱动与目前的微流体驱动技术不同,在超声行波的驱动下,借助摩擦力、声流和声辐射压驱动流体,具有无可移动部件的优点,可望在微流体散热、生化分析和药物释放领域得到应用.本文首先讨论了模型的模态选择及控制方法,然后基于有限元分析,讨论了模型固有频率与模型的结构参数之间的关系,分析了沟道尺寸对固有频率的影响.通过谐响应分析,在谐振频率处成功激励出我们所需的模态,得到幅频响应特性,最后对模型进行声固耦合分析,得出声场流体密度和声速对模型固有频率的影响及声压分布规律,为模型的进一步优化设计提供指导.     

Maxwell流体在内壁面沿轴向做往复运动的环空内的流动规律

根据动量方程和本构方程,建立Maxwell型黏弹性流体在内壁面沿轴向做往复运动的同心环空内流动时的数学模型,并采用固有函数法进行理论求解,得到环空内速度的分析解.结果表明:受内壁面周期性往复运动的影响,环空内的速度和平均速度均随时间呈现周期性的变化;流体的弹性和内壁面运动的频率对速度和平均速度的影响规律相似;流体弹性或运动频率的增加将改变部分时刻速度分布曲线的形状,存在着使平均速度变化幅度最大的弹性和频率;壁面运动的振幅只改变速度、平均速度的变化幅度,环空间距的减小扯平了速度的抛物线型分布,并使周期平均速度减小.     

一种超声蠕动微流体驱动模型的动力学研究

提出了基于超声行波和体积置换原理的超声蠕动微流体驱动模型.阐述了模型的驱动原理;利用有限元模型进行模态分析,预测了振动模态的谐振频率;通过瞬态动力学分析和谐响应分析观察腔体移动情况,得到了模型的幅频响应特性.为准确进行流体驱动效果分析,在模型内部填充流体介质进行声固耦合分析,得到了各个模态的振型和频率.通过对B(0,5)模态进行流固耦合分析,得到了模型内流体的运动情况,流体域的最大前向速度为15.5mm/s,最大体积流量为13.3ml/min.     

粘性流体与输流管道耦合振动的有限元分析

考虑粘性流体在圆管中层流流动,采用Euler梁模型描述细长管道模型。应用虚功原 理推导输流管道系统的流固耦合振动有限元方程,研究了简支和固支两种边界条件下管道系统固 有频率及流体平均速度、流体粘性和预应力对固有频率的影响,分析了粘性的存在对临界速度的 影响。结果表明,粘性的存在使得前三阶固有频率偏低,流体平均速度越大这一趋势越明显;流体 平均速度越大,前三阶固有频率越小;随着预应力的增大,前三阶固有频率增大;粘性的存在使得 临界速度降低。     

流体在管道中流动时管道的自振特性研究

基于三维弹性理论及欧拉线性方程,采用位移-压力格式有限元方法,得到附加矩阵。通过叠加附加矩阵把流固耦合结构振动问题化成普通的结构振动问题,建立了流体在管道中流动时结构振动的有限元方程,研究了流体在管道中流动时结构的自振特性,重点研究了流体速度对管道自振频率的影响。研究表明,管道各阶自振频率随着流体速度的递增呈递减的趋势。     

电渗流泵的机理分析

以实现CPU的温度控制、提高微流体的流动速度为目标，对电渗流的机理进行了分析．应用无网格算法对Laplace方程、Poisson-Boltzmann方程、Navier-Stokes方程进行数值求解，得到的数值仿真结果与解析近似解吻合较好．对微直管内的微流体的流动进行了仿真，再现了微流体流动的驱动过程，并讨论了微流体的流动速度与外加垂直电场的电势和ζ电势的相关性．本文的数学模型不仅可以仿真几何形状简单的微直管内微流体的驱动过程，也可仿真几何形状复杂、ζ电势较大条件下的微直管内微流体的流动，为电渗流微泵的设计提供了仿真模型．     

介电泳效应的液滴聚结过程与分布

基于Cahn-Hilliard建立Navier-Stokes两相流体动力学和电场Maxwell应力张量法的多物理场耦合模型,用于平行极板型、针型和圆环型电极的液滴聚结仿真.研究结果表明:较强的电场强度诱导分散相液滴聚结耗时较短,液滴链的结构和均匀度受电极形状和电场空间均匀性的影响较大;均匀电场诱导液滴成链较为均匀,并不受液滴数量的影响.在指针型和圆环型电极产生的非均匀电场只能在液滴数量较少的条件下,实现规则液滴链的生成.通过多物理场模型建模,仿真结果能够为静电纺丝、液滴合并、液泡回收等复杂微流体电学控制提供理论基础.     

分数微分粘弹性流体振荡管道流的求解与分析

研究了分数微分Maxwell粘弹性流体在圆管中的振荡流动,导出了对时间具有分数阶导数的特殊运动方程,求解了振荡流的解析解.将解析解进行级数近似展开,分析了粘弹性流体在管道中的流动特性.研究发现:当速度表达式中自变量的系数较小时,速度呈抛物线分布;系数较大时,速度与半径无关;相位角滞后于压力梯度90°;中心线速度小于定常Poiseuille流动中心线上的速度;在管壁附近具有Richardson环形效应.     

燃烧室热-声-结构耦合数值研究

航空发动机燃烧室多种载荷间的交变作用是影响其工作稳定性及疲劳寿命的重要因素。应用有限元方法开展了燃烧室多场耦合数值研究,对比分析了不同网格质量、湍流模型、流体速度及材料属性等因素对模拟产生的影响,并运用ANSYS Workbench 14.0分别采用单向与双向耦合方式仿真分析了热-声-结构耦合作用下的结构动力特性。通过试验数据与模拟结果的对比分析,得出网格质量对计算时间和准确性影响较大,湍流模型主要影响温度、压力与速度等流场结果,而流体速度对流场温度和结构振动频率等具有较大影响;耦合作用产生的根源为燃烧不稳定性,热载荷较之声载荷对结构振动影响更大且在频率为275 Hz和385 Hz附近时耦合对振动影响较强。研究工作对燃烧室设计等具有重要实际意义。     

海洋平台输液管道振动流特性研究

该研究了海洋平台输液管道振动流的行为特性。依据振荡流体力学基本原理，建立了输液管道非定常、不可压缩、粘性振动流的物理模型和数学模型。推导出了关于流场速度、压力系数的微分方程组，得到了不同条件下流动的速度和压力分布。结果表明流体诱发的海洋平台输液管道振动流的行为特性受管道结构形状及流体性质的影响。比较等截面管道的交分解和数值解，说明本所选用的方法用于研究海洋平台输液管道振动流是有效的。