مکانیزم میکروپمپ 1

View Categories

مکانیزم میکروپمپ 1

22 min read

PDF

مکانیزم میکروپمپ 1
میکروپمپ‌ها اجزای کلیدی سیستم‌های میکروسیال با کاربردهای مختلف از جابجایی سیالات بیولوژیکی تا خنک‌سازی میکروالکترونیک هستند. این مدل مکانیسم یک میکروپمپ بدون سوپاپ را شبیه‌سازی می‌کند، که برای غلبه بر برگشت‌پذیری هیدرودینامیکی در اعداد رینولدز پایین طراحی شده است. پمپ‌های بدون سوپاپ اغلب در سیستم‌های میکروسیال ترجیح داده می‌شوند زیرا خطر گرفتگی را به حداقل می‌رسانند و نسبت به مواد بیولوژیکی ملایم هستند. رابط متقابل سیال-سازه برای حل جریان سیال و تغییر شکل مربوط به سازه استفاده می شود. علاوه بر این، رابط جهانی ODEs و DAEs برای نشان دادن چگونگی انجام یکپارچگی با زمان حل کل جریان در طول چرخه پمپاژ استفاده می شود.
معرفی
بسیاری از طرح‌های پمپ بدون سوپاپ زمانی که سیستم دارای عدد رینولدز پایین است، بی‌اثر هستند و در نتیجه برای سیالات چسبناک و کاربردهایی با مقیاس‌های طول کوچک یا نرخ جریان کم نامناسب هستند. این عمدتاً به این دلیل است که بدون دریچه‌ها دستیابی به جریان پایدار در یک جهت معین دشوار است.
مکانیسم شبیه‌سازی‌شده در این مدل با تبدیل حرکت سیال نوسانی، ناشی از یک مکانیسم پمپاژ رفت و برگشتی ساده، به یک جریان خالص در یک جهت، بر این محدودیت غلبه می‌کند. ایجاد مکانیزم پمپاژ نوسانی در یک سیستم میکروسیال نسبتاً آسان است، به عنوان مثال، یک غشاء را می توان توسط یک نوسان ساز پیزو ارتعاش داد تا به طور دوره ای حجم یک ریز محفظه را تغییر دهد. در این مدل، یک جریان نوسانی به یک کانال حاوی میکروفلپ های خم شونده وارد می شود. تغییر شکل میکروفلپ ها در پاسخ به حرکت سیال، جریان را تغییر می دهد و منجر به نرخ جریان خالص در یک جهت ثابت می شود. ماهیت غیرفعال تنظیم کننده جریان امکان کنترل جهت جریان را بدون استفاده از مکانیسم های پیچیده تحریک همزمان که در یک سیستم مبتنی بر شیر مورد نیاز است، می دهد.
در این مدل از رابط Multiphysics برهمکنش سیال-ساختار برای تعیین جریان نوسانی ورودی، همراه با خواص مکانیکی فلپ ها استفاده می شود. تغییر شکل فلپ ها و جریان سیال به عنوان تابعی از زمان برای دو سیکل کامل مکانیزم پمپاژ محاسبه می شود. این اجازه می دهد تا مکانیسم فیزیکی مسئول تولید جریان یک طرفه به وضوح با استفاده از یک انیمیشن تجسم شود. علاوه بر تجسم سرعت و جهت جریان به عنوان تابعی از زمان در طول چرخه پمپاژ، اجزای کوپلینگ یکپارچه در ارتباط با رابط جهانی ODEs و DAEs برای محاسبه حجم خالص پمپاژ شده از چپ به راست به عنوان تابعی از زمان استفاده می‌شوند. این نمونه ای از این است که چگونه عملکرد یک رابط COMSOL را می توان با استفاده از یک معادله سفارشی مشخص شده در یک رابط ریاضی افزایش داد.
تعریف مدل
هندسه مدل در شکل 1 نشان داده شده است . از یک کانال افقی به طول 600  میکرومتر و ارتفاع 100  میکرومتر تشکیل شده است . یک محفظه عمودی به کانال در نقطه میانی در طول آن متصل می شود. دو فلپ کج به پایین کانال متصل شده اند به طوری که تا حدی جریان را در طول کانال مسدود می کنند. آنها به گونه ای قرار گرفته اند که در مرکز طول کانال قرار گیرند، و هر دو در زاویه 45 درجه نسبت به لبه کانال افقی قرار دارند. توجه داشته باشید که این مدل دوبعدی یک مقطع را از طریق نقطه میانی کانال در جهت خارج از صفحه نشان می دهد. ضخامت خارج از صفحه 10  μm به منظور محاسبه حجم سیال پمپ شده به عنوان تابعی از زمان استفاده شده است. با این حال، از آنجایی که هیچ اثر لبه‌ای به دلیل دیوارهایی که خارج از صفحه هستند شامل نمی‌شود، این معادل مدل‌سازی یک  بخش عمقی 10 میکرومتری از یک کانال بسیار ضخیم‌تر است .
شکل 1: هندسه مدل از یک کانال افقی و یک محفظه عمودی تشکیل شده است. فلپ‌های کج‌شده در داخل کانال قرار می‌گیرند، پاسخ این فلپ‌ها به حرکت سیال نوسانی القا شده از طریق مرز نشان‌دار منجر به جریان خالص از چپ به راست می‌شود.
فیزیک مورد نیاز برای مدل در رابط چندفیزیکی تعامل سیالات-ساختار پیکربندی شده است. یک ویژگی مرز ورودی در بالای محفظه عمودی اعمال می شود. این مشخص می کند که سرعت جریان ورودی از طریق عبارت ورودی کاربر، به صورت سینوسی در زمان با دوره 1 ثانیه تغییر کند. یک ویژگی مرز خروجی در مرزهای چپ و راست کانال اعمال می شود. دو جزء جفت کننده ادغام مرزی، به نام های intopL() و intopR() به ترتیب برای خروجی های چپ و راست، نیز برای این مرزهای خروجی اعمال می شوند. اینها برای محاسبه نرخ جریان خروجی از هر خروجی استفاده می شوند. این با استفاده از برخی از متغیرهای تعریف شده توسط کاربر در گره Definitions در جزء 1 به دست می آید. نرخ جریان از هر خروجی با ادغام متغیر وابسته u_fluid ، که جزء افقی سرعت سیال است، محاسبه می‌شود و در مقیاس طول خارج از صفحه 10  میکرومتر ضرب می‌شود . نرخ جریان خالص خروجی از کانال، UoutNet ، سپس از تفاوت بین جریان خروجی از سمت چپ و راست محاسبه می‌شود، به طوری که مقادیر مثبت مربوط به جریان خالص در جهت چپ به راست است.
یک رابط جهانی ODEs و DAEs برای محاسبه جریان خالص یکپارچه به عنوان تابعی از زمان اضافه شده است. این با استفاده از یک معادله جهانی به دست می آید که UoutNet را با توجه به زمان برای به دست آوردن Vpump ادغام می کند . این مرحله ضروری است زیرا UoutNet نرخ جریان خالص آنی را به عنوان تابعی در زمان ارائه می دهد، با این حال معیار مفیدتر برای ارزیابی پمپ، حجم کل پمپاژ شده در کل چرخه پمپاژ است. توجه داشته باشید که عملگر timeint() همچنین می تواند برای تجسم ادغام زمانی یک متغیر استفاده شود. با این حال، استفاده از timeint() به اندازه حل مستقیم برای یک کمیت یکپارچه، دقیق نیست ()اپراتور فقط از مراحل زمانی استفاده می کند که در راه حل ذخیره شده است، اما حل به طور مستقیم از هر مرحله زمانی که توسط حل کننده برداشته می شود استفاده می کند.
مش به گونه‌ای پیکربندی شده است که در اطراف فلپ‌های کج‌شده محکم‌تر باشد تا تنش درون فلپ‌های خمشی برطرف شود. مش در شکل 2 نشان داده شده است .
شکل 2: مش اولیه قبل از هرگونه تغییر شکل ساختاری.
یک مطالعه وابسته به زمان تنها در مدت زمان 2 ثانیه انجام می شود که مربوط به دو نوسان کامل سرعت ورودی است. برخی اصلاحات جزئی در دنباله حل کننده پیش فرض، که در دستورالعمل های گام به گام توضیح داده شده است، برای اطمینان از نتایج قابل اعتماد مورد نیاز است. به طور خاص، Time Stepping حداکثر گام را روی 0.01 ثانیه تنظیم می کند. این مورد نیاز است زیرا بازخورد بین تغییر شکل فلپ و جریان سیال می تواند منجر به تغییرات ناگهانی در جریان شود. تنظیم گام پیش‌فرض زمانی به حل‌کننده اجازه می‌دهد تا گام زمانی را که طول می‌کشد تغییر دهد تا در مواقعی که راه‌حل به سرعت تغییر نمی‌کند، بتوان گام‌های بزرگ‌تری برداشت. با این حال، به دلیل پتانسیل تغییرات ناگهانی در جریان سیال در مدل‌های برهمکنش سیال-ساختار، اعمال حداکثر گام زمانی برای اطمینان از اینکه تغییرات سریع نادیده گرفته نمی‌شوند، می‌تواند مفید باشد.
لازم به ذکر است که هندسه به گونه ای پارامتر شده است که ابعاد کانال و زاویه فلپ با اصلاح مدخل مربوطه در جدول Global Parameters قابل تغییر است. متوسط ​​دبی در ورودی و خواص سیال نیز به همین ترتیب پارامتر می شوند. علاوه بر این، عدد رینولدز موثر را می توان به راحتی تغییر داد زیرا ویسکوزیته و سرعت متوسط ​​ورودی به طور مناسب توسط یک ضریب مشترک (ضریب پارامتر ) که از عدد رینولدز هدف (پارامتر Re ) محاسبه می شود، مقیاس می شود. توجه داشته باشید که پارامتر Re_checkبرای تأیید اینکه عدد رینولدز واقعاً مقدار مشخص شده را می گیرد ارائه شده است. این مدل با عدد رینولدز 16 تنظیم شده است، اما تأیید اینکه عمل پمپاژ حتی برای اعداد رینولدز به طور قابل توجهی کمتر از یک اتفاق می افتد، ساده است.
نتایج و بحث
مکانیسمی که توسط آن جهت جریان تنظیم می شود را می توان در نمودار ترکیبی جریان و تنش مشاهده کرد. در حین حرکت رو به پایین، هنگامی که سیال از محفظه عمودی به داخل کانال رانده می شود، فلپ سمت راست به سمت پایین کانال خم می شود در حالی که فلپ سمت چپ از پایین کانال خم می شود. این پیکربندی در شکل 3 نشان داده شده است، که محلول را در زمان 0.26 ثانیه نشان می دهد که مربوط به زمانی است که سرعت جریان به محفظه عمودی از طریق ورودی در حداکثر خود است. به دلیل خمش نامتقارن فلپ ها، مایع می تواند راحت تر از خروجی سمت راست خارج شود. در طول حرکت بالا، هنگامی که سیال از کانال به محفظه عمودی کشیده می شود، فلپ ها در جهت مخالف خم می شوند. این پیکربندی در شکل 4 نشان داده شده است، که محلول را در زمان 0.74 ثانیه نشان می دهد. اکنون فلپ دست راست جریان را بیشتر از فلپ سمت چپ محدود می کند و بیشتر سیالی که به محفظه عمودی کشیده می شود از خروجی سمت چپ است.
نتیجه این رفتار این است که یک نرخ جریان خالص از چپ به راست در داخل کانال وجود دارد. این کاربردهای ممکن در سیستم های میکروسیال دارد. به عنوان مثال، این دستگاه می تواند برای رساندن سیال از مخزن قطرات متصل به خروجی سمت چپ به یک مسیر میکروسیال متصل به خروجی سمت راست استفاده شود. به طور متناوب، این دستگاه می تواند برای ایجاد یک سیستم گردشی استفاده شود که در آن سیالی در اطراف یک حلقه پیوسته پمپ می شود تا یک سیستم میکروالکترونیکی خنک شود.
شکل 3: بزرگی سرعت و میدان سرعت، همراه با تنش فون میزس در داخل فلپ ها در حین حرکت پمپاژ پایین.
شکل 4: بزرگی سرعت و میدان سرعت، همراه با تنش فون میزس در داخل فلپ ها، در طول حرکت پمپاژ بالا.
حجم خالص سیالی که از چپ به راست پمپ می شود در شکل 5 نشان داده شده است . همانطور که انتظار می رود، گرادیان منحنی، که نرخ جریان خالص است، به صورت سینوسی با دوره ای برابر با سرعت ورودی تغییر می کند. حداکثر شیب در فواصل مضرب های فرد 0.5 ثانیه رخ می دهد که با پیک های بزرگی سرعت ورودی مطابقت دارد.
شکل 5: حجم خالص پمپاژ شده از چپ به راست به عنوان تابعی از زمان.
مسیر کتابخانه برنامه: MEMS_Module/Fluid-Structure_Interaction/micropump_mechanism
دستورالعمل مدلسازی
از منوی File ، New را انتخاب کنید .
جدید
در پنجره جدید ، روی  Model  Wizard کلیک کنید .
مدل جادوگر
1
در پنجره Model  Wizard روی  2D کلیک کنید .
2
در درخت Select  Physics ، Fluid  Flow>Fluid-Structure  Interaction>Fluid-Solid  Interaction را انتخاب کنید .
3
روی افزودن کلیک کنید .
4
 روی مطالعه کلیک کنید .
5
در درخت انتخاب  مطالعه ، General  Studies>Time  Dependent را انتخاب کنید .
6
 روی Done کلیک کنید .
هندسه 1
برخی از پارامترها را اضافه کنید که برای کنترل خواص سیال و هندسه دستگاه استفاده می شود.
تعاریف جهانی
پارامترهای 1
1
در پنجره Model  Builder ، در قسمت Global  Definitions روی Parameters  1 کلیک کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای پارامترها ، بخش پارامترها را پیدا کنید .
3
در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید:
 
نام
اصطلاح
ارزش
شرح
Re
16
16
عدد رینولدز
ضریب
4/sqrt (Re)
1
ضریب تغییر عدد رینولدز
لانه ها
1000 [kg/m^3]
1000 کیلوگرم بر متر مکعب
چگالی سیال
من زندگی می کنم
0.001 [Pa*s]*ضریب
0.001 پاس
ویسکوزیته دینامیکی سیال
U
16[cm/s]/coeff
0.16 متر بر ثانیه
میانگین سرعت جریان ورودی
اچ
100[یک]
1E-4 متر
ارتفاع کانال
دبلیو
10[یک]
1E-5 متر
عرض دامنه
rp
2 [یک]
2E-6 متر
شعاع ستون
اسب بخار
70 [یک]
7E-5 متر
ارتفاع ستون
L
600 [یک]
6E-4 متر
طول کانال
بتا
45 [درجه]
0.7854 راد
زاویه شیب فلپ
x0
150 [یک]
1.5E-4m
مکان مرکز فلپ
دوباره چک کنید
dens*U*H/(من زندگی می کنم)
16
عدد رینولدز
سپس هندسه دستگاه را ایجاد کنید.
هندسه 1
1
در پنجره Model  Builder ، در قسمت Component   (comp1) روی Geometry  1 کلیک کنید .
2
در پنجره تنظیمات هندسه ، بخش Units را پیدا کنید .
3
از لیست واحد طول  ، میکرومتر را انتخاب کنید .
مستطیل 1 (r1)
1
در نوار ابزار Geometry ، روی  Rectangle کلیک کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای Rectangle ، بخش Size  and  Shape را پیدا کنید .
3
در قسمت متن Width ، L را تایپ کنید .
4
در قسمت متن ارتفاع ، H را تایپ کنید .
5
قسمت Position را پیدا کنید . در قسمت متن x ، -L/2 را تایپ کنید .
مستطیل 2 (r2)
1
در نوار ابزار Geometry ، روی  Rectangle کلیک کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای Rectangle ، بخش Size  and  Shape را پیدا کنید .
3
در قسمت متن Width ، 2*rp را تایپ کنید .
4
در قسمت متن ارتفاع ، 2*hp را تایپ کنید .
5
قسمت Position را پیدا کنید . از لیست پایه ، مرکز را انتخاب کنید .
6
در قسمت متن x ، x0-hp*sin(beta)/2 را تایپ کنید .
7
قسمت Rotation  Angle را پیدا کنید . در قسمت متن چرخش ، -بتا را تایپ کنید .
کپی 1 (کپی1)
1
در نوار ابزار Geometry ، روی  Transforms کلیک کنید و Copy را انتخاب کنید .
2
فقط شی r1 را انتخاب کنید.
تقاطع 1 (int1)
1
در نوار ابزار Geometry ، روی  Booleans  and  Partitions کلیک کنید و Intersection را انتخاب کنید .
2
فقط اشیاء r1 و r2 را انتخاب کنید.
3
در پنجره تنظیمات برای تقاطع ، بخش تقاطع را پیدا کنید .
4
کادر تیک Keep  interior  borders را پاک کنید .
فیله 1 (fil1)
1
در نوار ابزار Geometry ، روی  Fillet کلیک کنید .
2
در شی int1 ، فقط نقاط 3 و 4 را انتخاب کنید.
ممکن است با استفاده از پنجره Selection List انتخاب نقاط صحیح آسانتر باشد . برای باز کردن این پنجره، در نوار ابزار Home روی Windows کلیک کرده و Selection List را انتخاب کنید . (اگر از دسکتاپ کراس پلتفرم استفاده می کنید، ویندوز را در منوی اصلی پیدا می کنید.)
3
در پنجره تنظیمات برای Fillet ، بخش Radius را پیدا کنید .
4
در قسمت متن Radius ، rp را تایپ کنید .
کپی 2 (کپی2)
1
در نوار ابزار Geometry ، روی  Transforms کلیک کنید و Copy را انتخاب کنید .
2
فقط شی fil1 را انتخاب کنید.
3
در پنجره تنظیمات برای کپی ، بخش Displacement را پیدا کنید .
4
در قسمت متن x ، -2*x0 را تایپ کنید .
مستطیل 3 (r3)
1
در نوار ابزار Geometry ، روی  Rectangle کلیک کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای Rectangle ، بخش Size  and  Shape را پیدا کنید .
3
در قسمت متن Width ، 0.8*H را تایپ کنید .
4
در قسمت متن ارتفاع ، H را تایپ کنید .
5
قسمت Position را پیدا کنید . در قسمت متن x ، -0.4*H را تایپ کنید .
6
در قسمت متن y ، H را تایپ کنید .
7
 روی Build  All  Objects کلیک کنید .
دو کوپلینگ ادغام غیرمحلی، یکی به مرزی که خروجی سمت چپ را تشکیل می دهد و دیگری به مرزی که خروجی سمت راست را تشکیل می دهد، اضافه کنید. این کوپلینگ ها برای محاسبه دبی خروجی از هر خروجی استفاده خواهند شد.
تعاریف
ادغام 1 (در اول)
1
در نوار ابزار تعاریف ، روی  Nonlocal  Couplings کلیک کرده و Integration را انتخاب کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای ادغام ، عبارت intopL را در قسمت متنی نام اپراتور  تایپ کنید .
3
بخش انتخاب منبع  را پیدا کنید . از لیست سطح نهاد هندسی ، Boundary را انتخاب کنید .
4
فقط مرز 1 را انتخاب کنید.
ادغام 2 (intop2)
1
در نوار ابزار تعاریف ، روی  Nonlocal  Couplings کلیک کرده و Integration را انتخاب کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای ادغام ، عبارت intopR را در قسمت متنی نام اپراتور  تایپ کنید .
3
بخش انتخاب منبع  را پیدا کنید . از لیست سطح نهاد هندسی ، Boundary را انتخاب کنید .
4
فقط مرز 17 را انتخاب کنید.
چند متغیر برای محاسبه نرخ جریان خالص در کانال ایجاد کنید. دو متغیر اول، متوسط ​​دبی خروجی از هر خروجی را با انجام میانگین روی u_fluid ، که جزء افقی جریان سیال است، محاسبه می‌کنند. به قرارداد علامت توجه کنید، که مقادیر مثبت را به جریان چپ-راست و مقادیر منفی را به جریان راست-چپ اختصاص می دهد. متغیر سوم تفاوت بین میانگین دبی خروجی از هر خروجی را محاسبه می کند، مقادیر مثبت مربوط به جریان خالص از چپ به راست است.
متغیرهای 1
1
در پنجره Model  Builder ، روی Definitions کلیک راست کرده و Variables را انتخاب کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای متغیرها ، بخش متغیرها را پیدا کنید .
3
در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید:
 
نام
اصطلاح
واحد
شرح
UoutL
-intopL(u_fluid)*W
m³/s
سرعت جریان از خروجی سمت چپ
UoutR
intopR(u_fluid)*W
m³/s
سرعت جریان از خروجی سمت راست
UoutNet
UoutR-UoutL
m³/s
نرخ جریان خالص
به منظور ادغام متوسط ​​دبی خالص در طول زمان برای محاسبه حجم سیالی که پمپاژ می شود، یک رابط فیزیک جهانی ODE و DAEs را به مدل اضافه کنید.
فیزیک را اضافه کنید
1
در نوار ابزار Home ، روی  Add  Physics کلیک کنید تا پنجره Add  Physics باز شود .
2
به پنجره Add  Physics بروید .
3
در درخت، Mathematics>ODE  and  DAE  Interfaces>Global  ODEs  and  DAEs  (ge) را انتخاب کنید .
4
روی Add  to  Component  1 در نوار ابزار پنجره کلیک کنید .
5
در نوار ابزار Home ، روی  Add  Physics کلیک کنید تا پنجره Add  Physics بسته شود .
ODE و DAE جهانی (GE)
معادلات جهانی 1
1
در پنجره Model  Builder ، در قسمت Component   (comp1)>Global  ODEs  and  DAEs  (ge) روی معادلات جهانی  1 کلیک کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای معادلات جهانی  ، بخش معادلات جهانی را پیدا کنید .
3
در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید:
 
نام
F(U,UT,UTT,T) (1)
مقدار اولیه (U_0) (1)
مقدار اولیه (U_T0) (1/S)
شرح
Vpump
Vpumpt-UoutNet
0
0
حجم خالص پمپاژ شده از چپ به راست
4
قسمت Units را پیدا کنید .  روی تعریف  واحد متغیر وابسته  کلیک کنید .
5
در جدول کمیت متغیر وابسته ، تنظیمات زیر را وارد کنید:
 
کمیت متغیر وابسته
واحد
واحد سفارشی
m^3
6
 روی تعریف  واحد اصطلاح منبع  کلیک کنید .
7
در جدول مقدار واژه منبع ، تنظیمات زیر را وارد کنید:
 
مقدار اصطلاح منبع
واحد
واحد سفارشی
m^3/s
رابط فیزیک تعامل سیال-ساختار را پیکربندی کنید .
مش متحرک
تغییر شکل دامنه 1
1
در پنجره Model  Builder ، در قسمت Component   (comp1)>Moving  Mesh روی Deforming  Domain  1 کلیک کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای تغییر شکل  دامنه ، بخش Smoothing را پیدا کنید .
3
در قسمت متنی 2 عدد 100 را تایپ کنید .
4
فقط دامنه 1 را انتخاب کنید.
جزء 1 (COMP1)
مرز ثابت 1
1
در نوار ابزار تعاریف ، روی  Moving  Mesh کلیک کنید و Boundaries>Fixed  Boundary را انتخاب کنید .
2
فقط مرزهای 1، 2، 7، 9، 16 و 17 را انتخاب کنید.
جابجایی مش معمولی تجویز شده 1
1
در نوار ابزار تعاریف ، روی  Moving  Mesh کلیک کنید و Boundaries> Prescribed  Normal  Mesh  Displacement را انتخاب کنید .
2
فقط مرزهای 3 و 12 را انتخاب کنید.
جریان آرام (SPF)
1
در پنجره Model  Builder ، در قسمت Component   (comp1) روی Laminar  Flow  (spf) کلیک کنید .
2
فقط دامنه های 1 و 3 را انتخاب کنید.
ورودی 1
1
در نوار ابزار Physics ، روی  Boundaries کلیک کنید و Inlet را انتخاب کنید .
2
فقط مرز 10 را انتخاب کنید.
3
در پنجره تنظیمات برای ورودی ، بخش Velocity را پیدا کنید .
4
در قسمت متنی ، U*6*s*(1-s)*sin(2*pi*t/(1[s])) را تایپ کنید .
خروجی 1
1
در نوار ابزار Physics ، روی  Boundaries کلیک کنید و Outlet را انتخاب کنید .
2
فقط مرزهای 1 و 17 را انتخاب کنید.
3
در پنجره تنظیمات خروجی ، بخش شرایط فشار  را پیدا کنید .
4
چک باکس Suppress  backflow را پاک کنید .
مکانیک جامدات (جامدات)
1
در پنجره Model  Builder ، در قسمت Component   (comp1) روی Solid  Mechanics  (solid) کلیک کنید .
2
فقط دامنه های 1، 2 و 4 را انتخاب کنید.
مواد الاستیک خطی 1
1
در پنجره Model  Builder ، در قسمت Component   (comp1)> Solid  Mechanics  (solid) روی Linear  Elastic  Material  1 کلیک کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای مواد الاستیک خطی  ، قسمت Linear Elastic Material را پیدا کنید .
3
از لیست استفاده  از فرمول ترکیبی  ، فرمول فشار را انتخاب کنید .
محدودیت ثابت 1
1
در نوار ابزار Physics ، روی  Boundaries کلیک کنید و Fixed  Constraint را انتخاب کنید .
2
فقط مرزهای 4 و 13 را انتخاب کنید.
با پیکربندی رابط های فیزیک، مواد را به حوزه های هندسه اضافه کنید. در این مورد، مفید بود که قبل از افزودن مواد، منتظر بمانیم تا تمام تنظیمات فیزیک پیکربندی شوند، زیرا COMSOL به طور خودکار خواص مواد مورد نیاز را بسته به فیزیک اختصاص داده شده به هر دامنه تنظیم می کند.
مواد
مایع
1
در پنجره Model  Builder ، در قسمت Component   (comp1) روی Materials راست کلیک کرده و Blank  Material را انتخاب کنید .
2
در پنجره تنظیمات مواد ، Fluid را در قسمت نوشتار Label تایپ کنید .
جامد
1
روی Materials کلیک راست کرده و Blank  Material را انتخاب کنید .
2
در پنجره تنظیمات مواد ، Solid را در قسمت متن برچسب تایپ کنید .
3
فقط دامنه های 2 و 4 را انتخاب کنید.
مایع (mat1)
1
در پنجره Model  Builder ، روی Fluid  (mat1) کلیک کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای Material ، قسمت Material  Contents را پیدا کنید .
3
در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید:
 
ویژگی
متغیر
ارزش
واحد
گروه اموال
تراکم
rho
لانه ها
کیلوگرم بر متر مکعب
پایه ای
ویسکوزیته دینامیکی
که در
من زندگی می کنم
پس
پایه ای
جامد (mat2)
1
در پنجره Model  Builder ، روی Solid  (mat2) کلیک کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای Material ، قسمت Material  Contents را پیدا کنید .
3
در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید:
 
ویژگی
متغیر
ارزش
واحد
گروه اموال
مدول یانگ
E
3.6e5
پا
مدول یانگ و نسبت پواسون
نسبت پواسون
نه
0.499
1
مدول یانگ و نسبت پواسون
تراکم
rho
970
کیلوگرم بر متر مکعب
پایه ای
مش را پیکربندی کنید.
مش 1
مثلثی رایگان 1
1
در نوار ابزار Mesh ، روی  Free  Triangular کلیک کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای Free  Triangular ، بخش انتخاب دامنه  را پیدا کنید .
3
از لیست سطح موجودیت هندسی  ، تمام هندسه را انتخاب کنید .
اندازه
1
در پنجره Model  Builder ، روی Size کلیک کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای اندازه ، قسمت اندازه عنصر  را پیدا کنید .
3
روی دکمه Custom کلیک کنید .
4
قسمت پارامترهای اندازه عنصر  را پیدا کنید . در قسمت متن حداکثر اندازه عنصر ، 10 را تایپ کنید .
5
در قسمت متنی Minimum  size element  ، 1.4 را تایپ کنید .
6
در قسمت متنی Maximum  element  growth  rate ، 1.4 را تایپ کنید .
7
در قسمت متن Factor Curvature  ، 0.6 را تایپ کنید .
8
در قسمت متن Resolution  of  narrow  regions 0.7 را تایپ کنید .
سایز 1
1
در پنجره Model  Builder ، روی Mesh  1 کلیک راست کرده و Size را انتخاب کنید .
2
روی Size  کلیک راست کرده و Move  Up را انتخاب کنید .
3
در پنجره تنظیمات برای اندازه ، قسمت انتخاب موجودیت هندسی  را پیدا کنید .
4
از لیست سطح نهاد هندسی  ، دامنه را انتخاب کنید .
5
فقط دامنه های 2 و 4 را انتخاب کنید.
6
بخش اندازه عنصر  را پیدا کنید . روی دکمه Custom کلیک کنید .
7
قسمت پارامترهای اندازه عنصر  را پیدا کنید .
8
کادر انتخاب حداکثر  اندازه عنصر را  انتخاب کنید . در فیلد متن مرتبط، 2 را تایپ کنید .
9
کادر حداقل  اندازه عنصر  را انتخاب کنید . در فیلد متن مرتبط، 1.5 را تایپ کنید .
10
در پنجره Model  Builder ، روی Mesh  1 کلیک راست کرده و Build  All را انتخاب کنید .
مطالعه را پیکربندی کنید.
مراحل و محدوده زمانی مطالعه را تنظیم کنید.
مطالعه 1
مرحله 1: وابسته به زمان
1
در پنجره Model  Builder ، در بخش مطالعه  1 ، روی Step  1:  Time  Dependent کلیک کنید .
2
در پنجره تنظیمات مربوط به زمان  وابسته ، قسمت تنظیمات مطالعه  را پیدا کنید .
3
در قسمت متن زمان خروجی  ، range(0,0.02,2) را تایپ کنید .
4
در نوار ابزار صفحه اصلی ،  روی محاسبه کلیک کنید .
نتایج
سرعت (spf)
گروه نمودار سرعت پیش‌فرض را برای نشان دادن تنش فون میزس در میله‌های انعطاف‌پذیر و همچنین بزرگی سرعت سیال درون کانال تغییر دهید. نمودار سطح پیکان سرعت سیال را اضافه کنید . یک انیمیشن از سری داده ها اجازه می دهد تا عمل پمپ را تجسم کنید.
مطالعه 1 / راه حل 1 (2) (sol1)
1
در پنجره Model  Builder ، گره Results>Datasets را گسترش دهید .
2
روی Results>Datasets>Study  1/Solution   (sol1) کلیک راست کرده و Duplicate را انتخاب کنید .
با این مجموعه داده جدید شما به قاب فضایی اشاره می کنید که اجازه می دهد تا داده ها را در پیکربندی تغییر شکل داده تجسم کنید.
جریان و استرس
1
در پنجره Model  Builder ، در قسمت Results روی Velocity  (spf) کلیک کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای گروه طرح دوبعدی  ، Flow and Stress را در قسمت نوشتار Label تایپ کنید .
3
قسمت Data را پیدا کنید . از لیست مجموعه داده ، مطالعه  1/راه حل   (2)  (sol1) را انتخاب کنید .
سطح 2
1
روی Flow  and  Stress کلیک راست کرده و Surface را انتخاب کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای Surface ، روی Replace  Expression در گوشه سمت راست بالای بخش Expression کلیک کنید . از منو، Component   (comp1)>Solid  Mechanics>Stress>solid.mises  –  von  Mises  stress  –  N/m² را انتخاب کنید .
3
قسمت Coloring  and  Style را پیدا کنید .  روی تغییر  جدول رنگ  کلیک کنید .
4
در کادر محاوره ای Color  Table ، Traffic>Traffic در درخت را انتخاب کنید.
5
روی OK کلیک کنید .
سطح پیکان 1
1
روی Flow  and  Stress کلیک راست کرده و Arrow  Surface را انتخاب کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای Arrow  Surface ، بخش Coloring  and  Style را پیدا کنید .
3
از فهرست طول پیکان  ، Logarithmic را انتخاب کنید .
4
از لیست رنگ ، سیاه را انتخاب کنید .
5
در نوار ابزار Flow and Stress ، روی  Plot کلیک کنید .
انیمیشن 1
1
در نوار ابزار نتایج ، روی  انیمیشن کلیک کنید و فایل را انتخاب کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای انیمیشن ، بخش Target را پیدا کنید .
3
از لیست هدف ، Player را انتخاب کنید .
4
قسمت Frames را پیدا کنید . از فهرست انتخاب فریم  ، همه را انتخاب کنید .
5
 روی دکمه Play در نوار ابزار Graphics کلیک کنید .
این انیمیشن نشان می دهد که چگونه حرکت غیرفعال میله ها در هنگام واکنش به سیال منجر به جریان خالص سیال از چپ به راست می شود. در طول “downstroke”، هنگامی که سیال از ورودی به کانال جریان می یابد، میله سمت راست به سمت پایین کانال خم می شود در حالی که میله سمت چپ از پایین خم می شود. این جریان را به سمت خروجی سمت چپ نسبت به خروجی سمت راست محدود می کند. در طول “بالا”، جایی که سیال از کانال به سمت ورودی جریان می یابد، میله ها در جهت مخالف خم می شوند. اکنون جریان به داخل از خروجی سمت راست به سمت مرکز کانال محدود شده است. این منجر به جریان خالص از چپ به راست می شود، جایی که مایع از خروجی سمت چپ به داخل کشیده شده و از خروجی سمت راست به بیرون رانده می شود.
گروه طرح 1 بعدی، که Vpump را از رابط Global ODEs و DAEs ترسیم می کند ، تأیید می کند که در واقع جریان خالص از چپ به راست همانطور که انتظار می رود وجود دارد.
حجم خالص پمپاژ شده از چپ به راست
1
در پنجره Model  Builder ، در قسمت Results روی 1D  Plot  Group  4 کلیک کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای گروه طرح 1 بعدی  ، حجم خالص پمپ شده از چپ به راست را در قسمت نوشتار برچسب تایپ کنید .
3
قسمت Legend را پیدا کنید . از لیست موقعیت ، سمت چپ بالا  را انتخاب کنید .

1
این مدل توسط متیو جی. هنکاک و استوارت براون از Veryst Engineering، LLC ساخته شده است.