열공압형 마이크로펌프 액추에이터의 유체-구조 연성(FSI)해석

Abstract

본 연구에서는 열공압형 마이크로펌프의 주요 구동요소인 액추에이터 챔버 내 3차원 비정상 열 및 유체유동과 구조의 연계 해석을 통하여 박막의 거동 특성을 분석하였다. 유체와 구조의 연성(FSI, fluid-structure interaction) 해석을 위해 상용 프로그램인 ADINA를 사용하였으며, 해석 결과는 기존 문헌의 실험 결과와 비교하여 타당성을 검증하였다. 또한 FSI 해석의 유무에 따른 계산 결과를 서로 비교 및 분석하여 열공압형 마이크로펌프의 액추에이터 챔버 내 박막의 거동 해석 시 FSI 해석에 대한 당위성을 평가하였다. 그리고 마이크로펌프의 성능에 큰 영향을 미치는 주요 작동조건인 인가전압과 duty ratio에 따른 박막의 거동 특성을 분석하였다. 이를 통해 인가전압이 5V씩 증가함에 따라 박막의 변위는 약 24 ㎛씩 증가하고, duty ratio가 20V씩 증가함에 따라 박막의 최고 변위는 약 2배씩 증가함을 알 수 있었다.; This study has been conducted to investigate the characteristics of thermopneumatic and fluid flow in the thermopneumatic micropumps actuator. A transient three dimensional numerical analysis using ALE formulation with ADINA-FSI v.8.5.2 has been employed to analyze the effect of interaction between the membrane and actuator cavity on duty ratio and input voltage. The maximum error of velocity magnitude between the two cases with and without FSI condition is 55%. FSI must be considered because fluid domain affects solid domain and vice versa. The numerical results of center deflection were tended to be a similar to experimental data. The maximum center deflection of actuator membrane increases by 24 ㎛ with the increment of 5V. The duty ratio is one of the most important factors for the behavior characteristics of the actuator in the thermopneumatic micropump. The maximum deflection of membrane is doubled every 20% increment of duty ratio.