Осесимметричная модель управляемого демпфера расхода жидкости
DOI:
https://doi.org/10.7242/1999-6691/2023.16.3.28Ключевые слова:
микрогидродинамика, математическая модель, вычислительный эксперимент, демпфер расхода жидкости, система управления, привод, создающий радиальное сжатиеАннотация
В последнее время отмечается значительный интерес исследователей к разработке конструкций, базирующихся на микрогидродинамике, поскольку данное направление обладает большим потенциалом для миниатюризации технических устройств. Одним из примеров является капиллярный микрозахват, способный удерживать плоские микрообъекты за счет сил поверхностного натяжения. Для его использования необходим равномерный отвод тепла от горячей стороны элемента Пельтье, создающего на рабочей плоскости микрозахвата температуру ниже точки росы. Ранние исследования показали, что при низкочастотной пульсации расхода жидкости отвод тепла осуществляется неравномерно, что может нарушить устойчивость режима удержания объекта микрозахватом. По этой причине изучение функционирования системы охлаждения микрозахвата с целью поиска оптимального режима, при котором микронасос будет обеспечивать постоянный расход жидкости без низкочастотных колебаний, представляется актуальным. В работе предлагается математическая модель демпфера для сглаживания пульсаций потока жидкости, генерируемого микронасосом в системе охлаждения капиллярного микрозахвата. Сверхмалые объемы прокачиваемой жидкости, специфика ее поведения в микроканалах и под воздействием микронасосов требуют особого подхода к построению модели. Предложена осесимметричная модель управляемого демпфера потока жидкости, адекватно отражающая как сглаживание пульсаций расхода жидкости, так и регулирование величины среднего расхода. Рассмотрены три режима работы демпфера: в качестве стационарного гидросопротивления, в режимах осциллирующего расхода жидкости и сглаживания осциллирующего потока. По результатам вычислительных экспериментов проведена аппроксимация зависимости расхода жидкости от амплитуды радиального сжатия микротрубки. С учетом этого выведены аналитические формулы расчета зависимости расхода жидкости при стационарном гидросопротивлении для создания осцилляций потока жидкости. Предложен аналитический итерационный алгоритм, описывающий демпфирование потока жидкости для сглаживания осциллирующего потока, который не нуждается в значительных вычислительных ресурсах и может применяться в системе управления демпфером потока жидкости в режиме реального времени.
Скачивания
Библиографические ссылки
Ji W., Wang L. Industrial robotic machining: A review // Int. J. Adv. Manuf. Technol. 2019. Vol. 103. P. 1239-1255. https://doi.org/10.1007/s00170-019-03403-z
Convery N., Gadegaard N. 30 years of microfluidics // Micro and Nano Engineering. 2019. Vol. 2. P. 76-91. https://doi.org/10.1016/j.mne.2019.01.003
Microfluidics based microsystems: Fundamentals and applications / eds. S. Kakaҫ, B. Kosoy, D. Li, A. Pramuanjaroenkij. Dordrecht: Springer, 2010. 615 p. https://doi.org/10.1007/978-90-481-9029-4
Lumia R., Shahinpoor M. IPMC microgripper research and development // J. Phys.: Conf. Ser. 2008. Vol. 127. 012002. https://doi.org/10.1088/1742-6596/127/1/012002
Даринцев О.В., Мигранов А.Б. Капиллярный микрозахват с обратной связью. Патент РФ № 2261795 от 10.10.2005 г.
Darintsev O. Microgrippers: Principle of operation, construction, and control method // Proceedings of 15th International Conference on Electromechanics and Robotics "Zavalishin's Readings" / eds. A. Ronzhin, V. Shishlakov. Singapore: Springer, 2021. P. 25-37. https://doi.org/10.1007/978-981-15-5580-0_2
Afshari F. Experimental and numerical investigation on thermoelectric coolers for comparing air-to-water to air-to-air refrigerators // J. Therm. Anal. Calorim. 2021. Vol. 144. P. 855-868. https://doi.org/10.1007/s10973-020-09500-6
Насибуллаев И.Ш., Даринцев О.В. Компьютерное двумерное моделирование системы жидкостного охлаждения микрозахвата // Вычислительные технологии. 2021. Т. 26, № 2. С. 4-20. https://doi.org/10.25743/ICT.2021.26.2.002
Brennen Ch.E. Hydrodynamics of pumps. Cambridge: Cambridge University Press, 2011. 270 p. https://doi.org/10.1017/CBO9780511976728
Mohith S., Karanth P.N., Kulkarni S.M. Recent trends in mechanical micropumps and their applications: A review // Mechatronics. 2019. Vol. 60. P. 34-55. https://doi.org/10.1016/j.mechatronics.2019.04.009
Лепешкин А.В., Михайлин А.А., Шейпак А.А. Гидравлика и гидропневмопривод. Ч. 2. Гидравлические машины и гидропневмопривод. М.: МГИУ, 2003. 352 c.
McComb D. Sizing pulsation dampeners is critical to effectiveness // Pumps & Systems. 2014. No. 4. https://www.pumpsandsystems.com/sizing-pulsation-dampeners-critical-effectiveness (дата обращения: 04.09.2023).
Насибуллаев И.Ш., Насибуллаева Э.Ш., Даринцев О.В. Моделирование течения жидкости через деформируемый пьезоэлементом эластичный микроканал системы охлаждение микрозахвата // Мехатроника, автоматизация, управление. 2019. Т. 20, № 12. С. 740-750. https://doi.org/10.17587/mau.20.740-750
Nasibullayev I.Sh., Darintsev O.V., Nasibullaeva E.Sh., Bogdanov D.R. Piezoelectric micropumps for microrobotics: Operating modes simulating and analysis of the main parameters of the fluid flow generation // Proceedings of 15th International Conference on Electromechanics and Robotics "Zavalishin's Readings'' / eds. A. Ronzhin, V. Shishlakov. Singapore: Springer, 2021. P. 525-536. https://doi.org/10.1007/978-981-15-5580-0_43
Nasibullayev I.Sh., Nasibullaeva E.Sh., Darintsev O.V. Computer axisymmetric model of a piezoelectric micropump // JESTR. 2021. Vol. 14. P. 152-164. https://doi.org/10.25103/jestr.142.19
Chandrasekaran A., Packirisamy M. A study of cavitating and non-cavitating performances of valveless micropump through dynamic measurement of chamber pressure // J. Micromech. Microeng. 2015. Vol. 25. 035006. https://doi.org/10.1088/0960-1317/25/3/035006
Насибуллаев И.Ш., Даринцев О.В. Двумерная динамическая модель взаимодействия жидкости и пьезоэлектрического привода с поперечным изгибом в плоском канале // Многофазные системы. 2019. Т. 14, № 4. С. 220-232. https://doi.org/10.21662/mfs2019.4.029
Камалутдинов А.М., Нуриев А.Н., Жучкова О.С., ЗайцеваО.Н. Синхронные колебания двух пластин в вязкой несжимаемой жидкости // Вычисл. мех. сплош. сред. 2022. Т. 15, № 4. С. 429-437. https://doi.org/10.7242/1999-6691/2022.15.4.33
Truong B.N.M., Ahn K.K. Modeling, control and experimental investigation of time-average flow rate of a DEAP actuator based diaphragm pump // Int. J. Precis. Eng. Manuf. 2017. Vol. 18. P. 1119-1129. https://doi.org/10.1007/s12541-017-0131-3
Azouz A.B., Murphy S., Karazi Sh., Vázquez M., Brabazon D. Fast fabrication process of microfluidic devices based on cyclic olefin copolymer // Materials and Manufacturing Processes. 2014. Vol. 29. P. 93-99. https://doi.org/10.1080/10426914.2013.811739
Zeng P., Li L., Dong J., Cheng G., Kan J., Xu F. Structure design and experimental study on single-bimorph double-acting check-valve piezoelectric pump // Proc. Inst. Mech. Eng. C Mech. Eng. Sci. 2016. Vol. 230. P. 2339-2344. https://doi.org/10.1177/0954406215596357
Olsson A., Stemme G., Stemme E. A valve-less planar fluid pump with two pump chambers // Sensors and Actuators A: Physical. 1995. Vol. 47. P. 549-556. https://doi.org/10.1016/0924-4247(94)00960-P
Dhananchezhiyan P., Hiremath S.S. Optimization of multiple micro pumps to maximize the flow rate and minimize the flow pulsation // Procedia Technology. 2016. Vol. 25. P. 1226-1233. https://doi.org/10.1016/j.protcy.2016.08.212
Ландау Л., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика. Т. 6. Гидродинамика. М.: Наука, 1986. 737 c.
Durand B., Delvare F., Bailly P. Numerical solution of Cauchy problems in linear elasticity in axisymmetric situations // Int. J. Solids Struct. 2011. Vol. 48. P. 3041-3053. https://doi.org/10.1016/j.ijsolstr.2011.06.017
Насибуллаев И.Ш., Насибуллаева Э.Ш., Даринцев О.В. Изучение течения жидкости через деформируемый пьезоэлементом канал // Многофазные системы. 2018. Т. 13, № 3. С. 1-10. https://doi.org/10.21662/mfs2018.3.001
Hecht F. New development in FreeFem++ // J. Numer. Math. 2012. Vol. 20. P. 251-265. https://doi.org/10.1515/jnum-2012-0013
Knabner P., Angermann L. Numerical methods for elliptic and parabolic partial differential equations. Springer New York, 2003. 426 p. https://doi.org/10.1007/b97419
Муслов С.А., Поляков Д.И., Лотков А.И., Степанов А.Г., Арутюнов С.Д. Измерение и расчет параметров механических свойств силиконового каучука // Изв. вузов. Физика. 2020. Т. 63, № 9. С. 68-71. https://doi.org/10.17223/00213411/63/9/68
Crittenden J.C., Trussell R.R., Hand D.W., Howe K.J., Tchobanoglous G. MWH’s water treatment: Principles and design. New Jersey: John Wiley & Sons, Inc., 2012. 1901 p. https://doi.org/10.1002/9781118131473
Batchelor G.K. An introduction to fluid dynamics. Cambridge: Cambridge University Press, 2000. 615 p. https://doi.org/10.1017/CBO9780511800955
Абрамовиц М., Стиган И. Справочник по специальным функциям. М.: Наука, 1979. 832 с.
Насибуллаев И.Ш. Аналитический анализ переключения рабочего режима в двумерной модели системы жидкостного охлаждения микрозахвата // Вестник УГАТУ. 2021. Т. 25, № 3(93). С. 120-131. https://doi.org/10.54708/19926502_2021_25393120
Бахвалов Н.С., Жидков Н.П., Кобельков Г.Г. Численные методы. М.: Лаборатория базовых знаний, 2000. 636 с.
Бочкарёв С.А., Лекомцев С.В. Численное исследование влияния граничных условий на гидроупругую устойчивость двух параллельных пластин, взаимодействующих со слоем текущей идеальной жидкости // Вычисл. мех. сплош. сред. 2015. Т. 8, № 4. С. 423-432. https://doi.org/10.7242/1999-6691/2015.8.4.36
Meunier L., Chagnon G., Favier D., Orgéas L., Vacher P. Mechanical experimental characterisation and numerical modelling of an unfilled silicone rubber // Polymer Test. 2008. Vol. 27. P. 765-777. https://doi.org/10.1016/j.polymertesting.2008.05.011
Zhao P., Wu P., Zhang D., Ding X., Jiang Y. Cantilever-based differential pressure sensor with a bio-inspired bristled configuration // Bioinspir. Biomim. 2021. Vol. 16. 055011. https://doi.org/10.1088/1748-3190/ac1919
Su Y., Ma C., Chen J., Wu H., Luo W., Peng Y., Luo Z., Li L., Tan Y., Omisore O.M., Zhu Z., Wang L., Li H. Printable, highly sensitive flexible temperature sensors for human body temperature monitoring: A review // Nanoscale Res. Lett. 2020. Vol. 15. 200. https://doi.org/10.1186/s11671-020-03428-4
https://www.zwickroell.com/industries/medicalpharmaceutical/catheters-and-stents/testing-on-stents (дата обращения: 24.11.2022).
Загрузки
Опубликован
Выпуск
Раздел
Лицензия
Copyright (c) 2023 Вычислительная механика сплошных сред
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution-NonCommercial» («Атрибуция — Некоммерческое использование») 4.0 Всемирная.