تحلیل عددی جریان در میکروپمپ

در این پروژه، شرایط جریان در یک نمونه میکروشیر تسلا به عنوان یک شیر فاقد اجزای متحرک به صورت عددی بررسی شد و تعداد طبقات بهینه برای آن تعیین شد. از شیرهای فاقد اجزای متحرک برای تبدیل جریان غیرجهت دار به جریان جهت دار در میکروپمپ های رفت و برگشتی استفاده می شود. برای نمونه از این شیرها می توان به میکروشیرهای نازل - دیفیوزری و تسلا اشاره کرد. در این مطالعه، چیدمان های مختلف شامل تک طبقه، دوطبقه، سه طبقه و چهارطبقه به صورت عددی بررسی شدند. از یکسوکنندگی به عنوان معیار اصلی جهت ارزیابی عملکرد شیر استفاده شد. در این مطالعه از محاسبات دوبعدی و حالت پایای جریان سیال استفاده شد که وابستگی شدید یکسوکنندگی به عدد رینولدز در محدوده ای که برای طراحی میکروپمپ های موجود مناسب است، آشکار ساخت. اینگونه نتیجه گرفته شد که حالت دوطبقه از شیر تسلا در بین چیدمان های مورد بررسی این نوع شیر حالت قابل قبولی است. چیدمان دو طبقه از این شیر در میکروپمپ بدون دریچه، ضمن فشردگی قابلیت سازگاری در کاربردهای مختلف را دارد. همچنین، عملکرد میکروشیر دوطبقه با یک نمونه میکروشیر نازل - دیفیوزری مقایسه شد. مقایسه ها که براساس محاسبه مقدار یکسوکنندگی به عنوان پارامتر عملکردی شیر در گستره قابل کاربردی ای از عدد رینولدز انجام شد، حاکی از برتری شیر تسلا در اعداد رینولدز بالاتر و ضعف این نوع شیر در اعداد رینولدز پایین تر بود. همچنین، در این پایان نامه تحلیل سه بعدی و گذرای جریان در داخل یک میکروپمپ رفت و برگشتی فروفلوئیدیک بدون دریچه که در آن نیاز به بخش مکانیکی متحرک نمی باشد انجام شد. این میکروپمپ از یک محفظه، یک پیستون، دو شیر فاقد اجزای متحرک و دو کانال در ورودی و خروجی آن تشکیل شده است که درون آن از توده سیال مغناطیسی به عنوان پیستون و محرک جریان استفاده می شود. سیال مغناطیسی در این نوع میکروپمپ ها با استفاده از تحریک میدان مغناطیسی خارجی، حرکتی رفت وبرگشتی در میکروکانال پیستون خواهد داشت که موجبات تحریک و پمپاژ سیال اصلی را فراهم می کند. اگرچه توده سیال مغناطیسی با سیال عامل دارای سطح تماس است اما با توجه به خصوصیات ویژه آن با سیال پمپ شونده ترکیب نمی شود. محرک های سیال مغناطیسی به کار گرفته شده آهنرباهای دائمی هستند که حرکت خود را از طریق استپر موتور تأمین می نمایند. نتایج حاصل از شبیه سازی سه بعدی میکروپمپ مزبور با چیدمانی شامل شیرهای نازل - دیفیوزری تطابق خوبی با نتایج تجربی نشان داد و رابطه خطی بین هد ودبی در میکروپمپ تأیید شد. شبیه سازی سه بعدی میکروپمپ رفت وبرگشتی با تحریک فروفلوئیدیک و با چیدمانی شامل شیرهای تسلا نشان داد که میکروپمپ مورد بررسی در مقایسه با نمونه نازل - دیفیوزری در تمام محدوده فرکانس کاری دارای دبی بیشینه و فرکانس خود پمپ کنی کم تری است، اما در فرکانس های کاری بالا دارای هد بیشینه بیشتری می باشد. با در نظر گرفتن بازده ترمودینامیکی پمپ، در فرکانس های کاری پایین میکروپمپ با شیر نازل – دیفیوزری و در فرکانس های کاری بالا میکروپمپ با شیر تسلا عملکرد بهتری دارد. در نهایت، در این پروژه ساخت و سرهم بندی چند نمونه میکروپمپ فروفلوئیدیک با میکروشیرهای تسلا انجام شده است. نحوه ساخت به طور کامل ارائه شده است.