An axisymmetric model of the controlled fluid flow damper

Abstract

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.