Analysis of Tesla-type valveless micropumps

The Tesla-type valveless micropump is analyzed using both numerical simulations and approximate solution methods. The first are based on the resolution of the 2D incompressible Navier–Stokes equations with the Finite Volume Method on unstructured grids, using the CFD open-source software OpenFOAM. The definition of geometries and meshes is done with the software Gmsh. The main components of the micropump are first studied: the Tesla valves. The diodicity is the key parameter investigated: it describes the ability of the valve in passing flow in the forward direction while inhibiting flow in the reverse direction. Steady-state simulations are performed in order to characterize the diodicity of the T45A valve, presented in the work of Bardell [1], in the low-Reynolds number regime. Then, transient simulations are considered to investigate the dynamic behaviour of the same valve under oscillatory flow conditions. Due to the poor performances of the T45A valve, an optimized valve is considered to maximize diodicity, which is the result of optimization algorithms by Gamboa et al. [2]. 2D Transient simulations of a valveless micropump incorporating optimum valves are then performed in the case of imposed harmonic motion of the membrane. Hence, the fluid-membrane coupling is neglected. Dynamic mesh handling is involved to take into account the movement of the membrane. The micropump performance is investigated in terms of net flow produced and real efficiency. The results from the simulations are then compared with those obtained through lumped-system models developed for the micropump, inspired to the work of Tsui et al. [3, 4], still assuming harmonic motion of the membrane. A reasonable agreement in flow rate predictions and other performance quantities is found. Nonlinear fluid-membrane coupling models are also developed, partially following the work of Pan et al. [5, 6], since in real applications nonlinear effects predominate in the vibration response due to the coupling between fluid and membrane. The net flow through the pump is characterized, and an optimal frequency, at which the system must be excited in order to obtain the maximum net flux, is determined.

Una micropompa alternativa del tipo Tesla è analizzata usando simulazioni numeriche e metodi di risoluzione approssimati. Le prime sono basate sulla risoluzione delle equazioni di Navier–Stokes incomprimibili in 2D con il Metodo dei Volumi Finiti su griglie non strutturate, usando il software OpenFOAM. In una prima fase si è proceduto ad analizzare singolarmente la componente principale, ovvero la valvola di Tesla. La diodicità è il parametro chiave da studiare: esso descrive la capacità della valvola di far scorrere del fluido nella direzione favorevole e di impedirne il movimento nel senso contrario. Sono state svolte simulazioni stazionarie in modo da caratterizzare la diodicità della valvola T45A, presentata nel lavoro di Bardell [1], per bassi numeri di Reynolds. In seguito, sono state svolte simulazioni instazionarie in modo da studiare il comportamento della valvola quando è sottoposta a condizioni di flusso oscillatorie. A causa delle limitate prestazioni della valvola T45A, si è deciso di utilizzare una valvola ottimizzata che garantisca diodicità superiori, che è il risultato del lavoro svolto da Gamboa et al. [2]. Sono poi state svolte simulazioni instazionarie 2D di una micropompa che include le valvole ottime nel caso in cui il movimento della membrana sia supposto armonico. In particolare, l’accoppiamento fluido-membrana è in questo caso trascurato. A causa del movimento della membrana, è stato anche tenuto conto del movimento della griglia. Sono poi analizzati il flusso netto prodotto e l’efficienza della micropompa. I risultati ottenuti dalle simulazioni sono stati poi confrontati con quelli di modelli a parametri concentrati del sistema, ispirati al lavoro di Tsui et al. [3, 4]. Si sono osservate concordanze in termini di flussi e di quantità prestazionali. Sono stati anche sviluppati modelli non lineari che accoppiano fluido e membrana, che seguono in parte il lavoro svolto da Pan et al. [5, 6], dato che nella realtà non si può prescindere da questo accoppiamento. Viene poi caratterizzato il flusso netto che scorre nella pompa e determinata una frequenza ottimale a cui eccitare il sistema in modo da garantire il massimo flusso netto possibile.