在这篇博客文章中，我们展示了Riccardo Vietri，James Ransley和Andrew Spann的Piezoelectric Micropump模型，该模型在Umemst Engineering，LLC。您将看到如何将压电材料与流体结构相互作用的效果相结合，以及如何使用简单的速度依赖性公式来捕获在入口和出口边界处的单向阀的效果。我们还证明了固体和流体域之间断开网格的使用。
什么是压电微型泵？
压电微型聚集体在医疗领域通常使用，这要归功于它们能够精确地提供少量的液体或气体。在示例模型中，流体室被环形压电执行器驱动的柔性膜覆盖。由于物理学的对称性，仅包括一半的几何形状。下图显示了以黄色突出显示的膜，其顶部是环形执行器和下面的流体体积（除了膜以外，室壁未显示为清晰）。
压电微型泵模型的几何形状。柔性膜突出显示。
压电的顶表面和膜的圆周是机械固定的。因此，当压电在施加的偏置电压下膨胀时，将膜推入流体室，迫使一些液体排出。在驱动周期的另一半期间，当压电合同时，将膜拉起，将一些液体吸入膨胀的腔室。单向阀安装在流体室下方的两个管道中，以指导流体通过左侧的管道流入右侧的管道。
压电堆栈
在真正的微型泵中，将使用许多独立的压电层和电气接触来使用堆叠的压电执行器。出于该模型的目的，我们忽略了薄金属层的刚度，并将执行器建模为压电的整体块。例如，假设层厚度为100 µm，75层和0.2 V/µM的电场，如下参数表所示，我们在整个压电上应用了1500 V的等效电位差。实际设备中所需的实际电压取决于所需的电场和堆叠执行器中每一层的厚度。
| T0 | 0.1 [mm] | 1E-4 m | 压电层厚度 |
| n | 75 | 75 | 执行器中的层数 |
| E0 | 0.2 [v/um] | 2e5 v/m | 电场强度 |
| v0 | e0*t0*n | 1500 v | 施加电压 |
用于说明层厚度，层数，电场强度的数量和施加电压之间的关系的参数用于模型中使用的等效单片压电。
单向阀
通过使用止回阀来确保单向流程，进气口和出口工作。在模型中，该阀由基于K因子管道损失的简单边界条件表示，在靠近阀门时，损耗很高，而在操作方向上流动时损耗很低。阀产生的背压由以下等式表示：
（1）
在哪里u_ {av}是垂直于边界的流体的平均速度，\ rho是流体密度，以及一个是一个无量纲常数，根据u_ {av}。
在短长度的末端，将背压作为正常应力施加。这确保了尽管边界条件近似，但腔室中的流体流动是现实的。该边界条件可以用来表示简单的流体阀。相对于入口中使用的常数，用于出口边界的常数反向，代表相似阀的不同方向。这鼓励沿所需方向流过泵。为了表示低电阻阀（例如简单的挡板阀），我们设置了一个闭合条件为5000，开放条件为0.1。在实际应用中，仔细调整这些值和该模型的潜在改进是可取的。
在模型中，两个值的两个值一个指定为参数，它们之间的切换是由如果运算符，如下屏幕截图所示。
| high_stress | 5E3 | 5000 | 边界应力（高） |
| 低压 | 1E-1 | 0.1 | 边界应力（低） |
两个值的参数一个以及实施的入口和出口边界条件等式。1。
几何和网状
为了证明Comsol®软件在处理断开网格时的灵活性，我们分别统一固体和流体域，然后使用表格组件在几何序列的最后一步中，如下屏幕截图所示。还请注意创建烙印复选框已启用，以促进在膜下方的流体固定界面上创建边界对。
固体和流体结构域在几何序列中分别统一。表格组件与创建烙印已启用。
现在，我们可以灵活地独立地与固体和流体结构域隔离，如下所示。请注意，固体侧的网状节点与固体流体界面处流体侧的网状节点不一致。突出显示了流体腔室壁，其中使用三层边界网络来解决墙壁附近的流动模式。为了为此示例节省计算时间，使用了相对粗糙的网格。
流体和实心域中的网格彼此独立。
多物理耦合
使用内置的多物理耦合，很容易包括压电效应和流体结构相互作用。下面的屏幕截图显示后者使用流体结构交互功能的一对版本，因为表格组件用于几何序列。这创建烙印选项可确保自动化边界对的正确位置，如屏幕快照中的粉红色亮点所示。
这流体结构相互作用，一对使用耦合。
仿真结果
下图显示了入口和出口流量，并确认了设备内流体体积的保护。在驱动期的前3/4期间，驱动电压升高。之后，迅速建立了一致的时间周期流。入口和出口流量之间的差异与由于压电中风引起的膜偏转的流体体积与确认体积保守性相匹配。
流量和量保存。
时间整合到入口和出口的流量是使用全局方程式计算的，并在下面的图中显示。通过0.05 s的泵的净流量为1.8 µl，对应于36 µL/s或2.16 mL/min。这对于这种非谐振设计是典型的。
使用全局普通微分方程计算的净流体流过进口和插座。
为了可视化在中风的每一半期间的流体流动模式，我们在下面显示两组图，一个用于速度场（流体和固体），另一个用于流体流线。
微量的（左）和外（右）的流动方向的速度场。
流体在（左）和（右）的流动方向流化。
总结说
我们已经在MEMS模块中展示了一个压电微型泵模型，该模块是Comsol多物理学的附加组件。为了简要介绍，我们尚未讨论使用选择来促进设置材料，物理和网格。我们还没有描述用于计算累积流量和在解决方案过程中监视流速的全局探针的全局方程式。该示例随附的PDF文档中详细讨论了所有这些主题。玩得开心（和建模）！
自己尝试
通过单击下面的按钮，获取压电微型泵模型的MPH文件和文档：
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