SUPERVISOR
ابراهیم شیرانی چهارسوقی (استاد راهنما) محمدبهشاد شفیعی (استاد مشاور)
STUDENT
Kazem Mohamadzadeh
کاظم محمدزاده
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1388
In this project, numerical analysis of the fluid flow inside the Tesla type microvalve as a type of no – moving – part valve and determination of the optimum number of stages for it have been done. No – moving - part valves are used to convert the non - directional ?ow to directional ?ow in reciprocating micropumps. The most common types of this kind of valves are nozzle - diffuser and Tesla valves. In the present study, different layouts of Tesla type microvalve include one - stage, two - stage, three - stage and four - stage are investigated numerically. The main criterion used for evaluation of valve performance is diodicity. Two – dimensional and steady state computations of the fluid flow have been utilized that reveal a strong dependence of diodicity on Reynolds number in the range common for current micropump designs. As a result, two – stage layout of Tesla type valve is the best option between the studied layouts of this type of valve. A two - stage layout of this valve in valveless micropump besides being compact, has the adaptability of the various functions. Also, the two – stage valve performance is compared with nozzle - diffuser type valve. Comparisons which are performed based on calculation of diodicity in applicable range of Reynolds numbers show the superiority of the Tesla type valve in higher Reynolds number and its weakness in lower Reynolds number. Also, in this thesis, a three - dimensional and unsteady analysis of fluid flow inside the ferrofluidic valveless micropump that has no moving mechanical parts is carried out. The micropump is composed of a chamber, a piston, two no – moving - part valves and two channels which one is at the inlet and the other one is at the outlet. In this micropump, ferrofluid plug is employed as piston and flow actuator. Ferrofluid is oscillated in piston due to the external magnetic field actuation that provides the actuation and pumping of the working fluid. Although ferrofluid plug has contact with the working fluid, but with respect to its special features not mix with it. Permanent magnets which are used as ferrofluid actuators, are moved with stepper motor. The simulation results of the ferrofluidic valveless micropump with the nozzle - diffuser valve show good agreement with the experimental results and linear relation between head and flow rate in micropump is confirmed. Three - dimensional simulation of reciprocating micropump which consists of ferrofluidic actuation and Tesla type valve show that the micropump with Tesla type valve in comparison with micropump with nozzle – diffuser type valve has lower maximum flow rate and self - pumping frequency in whole of range of operating frequency. However, it has higher maxumum head in high operating frequencies. According to the thermodynamic efficiency, nozzle - diffuser type micropump has better efficiency in low operating frequencies and Tesla type micropump has better efficiency in high operating frequencies. Finally, in this thesis, fabrication and assembling of some ferrofluidic micropumps with Tesla type valve have been done. Fabrication procedure is presented in details. Key words :Micropump, Microvalve, Diodicity, Ferrofluid, Three-dimensional simulation.
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 غیرجهتدار به جریان جهتدار در میکروپمپهای رفت و برگشتی استفاده میشود. برای نمونه از این شیرها میتوان به میکروشیرهای نازل - دیفیوزری و تسلا اشاره کرد. در این مطالعه، چیدمانهای مختلف شامل تکطبقه، دوطبقه، سهطبقه و چهارطبقه به صورت عددی بررسی شدند. از یکسوکنندگی بهعنوان 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 میکروپمپهای 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. مقایسهها 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 پایینتر بود. همچنین، در اینایاننامه تحلیل سهبعدی و گذرای جریان در داخل یک میکروپمپ رفت و برگشتی فروفلوئیدیک بدون دریچه که در آن نیاز به بخش مکانیکی متحرک نمیباشد 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 میشود. سیال مغناطیسی در این نوع میکروپمپها با استفاده از تحریک میدان مغناطیسی خارجی، حرکتی رفت وبرگشتی در میکروکانال پیستون خواهد داشت که موجبات تحریک و پمپاژ سیال اصلی را فراهم میکند. اگرچه توده سیال مغناطیسی با سیال عامل دارای سطح تماس است اما با توجه به خصوصیات ویژه آن با سیال پمپشونده ترکیب نمیشود. محرکهای سیال مغناطیسی به کار گرفته شده آهنرباهای دائمی هستند که حرکت خود را از طریق استپر موتور تأمین مینمایند. نتایج حاصل از شبیهسازی 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. شبیهسازی 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 کمتری است، اما در فرکانسهای کاری بالا دارای هد بیشینه بیشتری میباشد. با در نظر گرفتن بازده ترمودینامیکی پمپ، در فرکانسهای کاری پایین میکروپمپ با شیر نازل – دیفیوزری و در فرکانسهای 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. کلمات کلیدی: 1- میکروپمپ 2-میکروشیر 3-یکسوکنندگی 4-سیال مغناطیسی 5-شبیه سازی سه بعدی