Skip to main content
SUPERVISOR
Saeed ZeiaeiRad,Ebrahim Shirani
سعید ضیائی راد (استاد مشاور) ابراهیم شیرانی چهارسوقی (استاد راهنما)
 
STUDENT
Mohammad Ebrahim Kolahdouz
محمدابراهیم کلاه دوز

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1386

TITLE

Design and fabrication of a piezoelectrically actuated micropump using modified Tesla type microvalves
Using No-Moving-Part(NMP) valve in microfluidic systems has been one of the most effective methods for traort and delivery of unidirectional flow. Instead of external mechanism, fluid flow behavior is responsible for the variation in pressure drop between forward and reverse flow in NMP valves. Such microvalves have been widely used as check valves in the construction of diaphragm micropumps. In this study two important types of NMP valves including nozzle-diffuser microvalve and Tesla microvalve have been investigated and a new designed shape is proposed for the Tesla valve based on numerical analysis of fluid flow inside the valve. The main criterion used for evaluation of valve performance was Diodicity which can be defined as the ratio of pressure loss in the reverse-flow direction to loss in forward direction at identical volume flow rate. Comparison with previous types proved the superiority and novelty of proposed valves. Besides, a three dimensional modeling of a diaphragm micropump together with the proposed valves was carried out. Piezoelectric device was chosen as the actuator of the micropump. The simulation showed that the new system is more efficient than conventional nozzle-diffuser micropump considering both maximum pressure head and flow rate. In the next step, the efficiency and performance of piezoelectrically actuated micropump was investigated based on driving voltage wave shapes. Square shape excitation with the sharpest instantaneous slope had the most notable flow rate compared to the other types in the examined range of frequencies. However the power requirement of sawtooth wave shape was much lower than square excitation. The second approach used for design and analysis of the diaphragm micropump with piezoelectric actuation was equivalent circuit modeling. This model predicts the frequency response of the complete system given the characteristic of the pump components and pump loads. In the proposed model, the new designed valve was modeled by introduction of a nonlinear resistance to the circuit. As a practical application, the possibility of using the proposed micropump for fuel delivery in a Direct Methanol Fuel Cell(DMFC) was also investigated both qualitatively and quantitatively. Finally the numerical models were experimentally validated by real prototype fabrication of the new micropump. There were a good agreement between three dimensional simulation and electrical modeling of the micropump. The general trend was also the same for both numerics and experiment. However some deviations were observed. These deviations can be explained considering fabrication limitations and some simplification in computer modeling. Key words: Tesla microvalves, Diodicity, Micropump, Multi-Physics, Equivalent circuit modeling
استفاده از میکرووالوهای فاقد اجزای متحرک از روشهای مؤثر برای انتقال یک سویه‌ سیال در سیستم های میکروسیالاتی است که بجای استفاده از مکانیزم های مکانیکی برای جلوگیری از برگشتن سیال ، بر اساس مشخصه‌های خود سیال کار می‌کنند. یکی از مهمترین کاربرد این میکرووالوها را می‌توان استفاده آنها در ساختار میکروپمپهای دیافراگمی عنوان کرد. در این مطالعه ضمن بررسی مدلهای موجود میکرووالو فاقد اجزای متحرک (شامل میکرووالو نازل- دیفیوزری و تسلا) هندسه بهینه‌ای از نوع والو تسلا بر اساس بررسی عددی شرایط جریان در والو ارائه شد. مقایسه‌ها حاکی از افزایش چشم‌گیر مقدار یکسوکنندگی به عنوان پارامتر عملکردی والو در قیاس با انواع قبلی آن بود. همچنین شبیه‌سازی سه بعدی میکروپمپ دیافراگمی با تحریک پیزوالکتریک و با چیدمان جدیدی از والوهای پیشنهادی نشان داد که سیستم ارائه شده چه از نظر هد فشاری و چه از نظر دبی پمپاژ وضعیت بهتری در مقایسه با نوع مرسوم نازل دیفیوزری دارد. حل عددی مزبور همه انواع کوپلینگهای موجود اعم از الکتریکی، جامداتی و سیالاتی را شامل می‌شود. از موارد دیگر مورد بررسی اثر شکل موجهای گوناگون بر دبی خروجی و توان مورد استفاده میکروپمپ با والوهای فاقد اجزای متحرک بود. نتایج حل عددی نشان داد که از بین شکل موجهای موجود، موج مربعی دبی بیشتری را در شرایط فرکانسی و ولتاژی یکسان بدست می‌دهد. با این حال در صورت مورد توجه قرار دادن توان مصرفی، میکروپمپ با تحریک موج اره‌ای بازده بالاتری خواهد داشت. رویکرد دیگری که برای طراحی و تحلیل میکروپمپ دیافراگمی با تحریک پیزوالکتریک ارائه شد، استفاده از روش شبیه سازی الکتریکی بود. با توجه به شرایط فیزیکی پیچیده میکروپمپ، استفاده از این مدل، امکان بررسی سریع و بدون دردسر پمپ را با اعمال شرایط متفاوت بدست می‌دهد. در روش پیشنهادی میکرووالوهای تسلای اصلاح شده از طریق تعریف یک مقاومت غیرخطی متناظر در مدار پمپ مدل شد. این روش باعث می شود که حتی با تغییر هندسه‌ میکرووالو نیز بتوانیم از مدل‌سازی الکتریکی استفاده کنیم و نیاز به استخراج مدلهای پیچیده برای اعمال هندسه‌های گوناگون نداشته باشیم. به عنوان نمونه‌ای از کاربرد عملی، استفاده از میکروپمپ با شرایط فوق در سوخت رسانی پیل سوختی با تزریق مستقیم متانول بررسی شد. نهایتاً یک نمونه‌ واقعی از میکروپمپ پیشنهادی ساخته شده و مورد آزمایش قرار گرفت. نتایج تجربی با پاسخ حل عددی سه‌بعدی و نیز حل مدار الکتریکی مقایسه شد. نتایج، حاکی از تطابق خوب روشهای عددی و نیز یکسان بودن روند افزایش و کاهش دبی با تغییرات فرکانس تحریک در هر سه حالت بود. کلمات کلیدی: میکرووالو تسلا، یکسوکنندگی، میکروپمپ، مدل چند فیزیکی، مدل سازی معادل الکتریکی، پیل سوختی با تزریق مستقیم متانول

ارتقاء امنیت وب با وف بومی