A compartment model of the flow driven by pumping without valves (valveless pumping) in an open tank system is proposed. By the open tank system, we mean that two rigid cylindrical tanks are connected with an elastic tube. An incompressible fluid fills this system up to a certain level in tanks under the gravity. The compartment model for analyzing such open system is derived from the energy principle which will be called the energy conserving compartment model or shortly the ECCM. Based on this ECCM of valveless pumping, we explore the occurrence of directional net flow or directional net power by a specific excitation at an asymmetric part of the elastic tube. The interaction between deformable elastic tube and the fluid inside is considered in the ECCM. The reliability of the ECCMis investigated through some physical examples. The ECCM shows the existence of directional net power of the valveless pump system with open tanks and confirms that the direction and magnitude of the net power depend on the pumping frequency as well. Furthermore, the phase synchronization in time between the fluid pressure difference and the external pinching force over the pumping region is highly related to the direction of energy storing or net power.
Journal of the Korean Society for Industrial and Applied Mathematics
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v.15
no.2
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pp.97-122
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2011
Fluid dynamics driven by pumping without valves (valveless pumping) shows interesting physics. Especially, the driving function to generate valveless pump mechanism is one of important factors. We consider a closed system of valveless pump which consists of flexible tube part and stiffer part. Fluid and structure (elastic tube) interaction motions are generated by the periodic compress-and-release actions on an asymmetric location of the elastic loop of tubing. In this work, we demonstrate how important the driving forcing function affects a net flow in the valveless circulatory system and investigate which parameter set of the system gives a more efficient net flow around the loop.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.37
no.2
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pp.111-117
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2013
A valveless pump consisting of a pumping chamber with an elastic tube was simulated using an immersed boundary method. The interaction between the motion of the elastic tube and the pumping chamber generated a net flow toward the outlet through a full cycle of the pump. The net flow rate of the valveless pump was examined by varying the stretching coefficient, bending coefficient, and aspect ratio of the elastic tube. Photographs of the fluid velocity vectors and the wave motions of the elastic tube were examined over one cycle of the pump to gain a better understanding of the mechanism underlying the valveless pump. The relationship between the gap in the elastic tube and the average flow rate of the pump was analyzed.
In this study, we present a multidimensional open system for valveless pumping (VP). This system consists of an elastic tube connected to two open tanks filled with a fluid under gravity. The two-dimensional elastic tube model is constructed based on the immersed boundary method, and the tank model is governed by a system of ordinary differential equations based on the work-energy principle. The flows into and out of the elastic tube are modeled in terms of the source/sink patches inside the tube. The fluid dynamics of this system is generated by the periodic compress-and-release action applied to an asymmetric region of the elastic tube. We have developed an algorithm to couple these partial differential equations and ordinary differential equations using the pressure-flow relationship and the linearity of the discretized Navier-Stokes equations. We have observed the most important feature of VP, namely, the existence of a unidirectional net flow in the system. Our computations are focused on the factors that strongly influence the occurrence of unidirectional flows, for example, the frequency, compression duration, and location of pumping. Based on these investigations, some case studies are performed to observe the details of the ow features.
A numerical simulation on the flow field of a valveless bidirectional piezoelectric micropump has been performed. In this type of micropump, the oscillation of the piezoelectric diaphragm generates the blowing and suction flow through the oblique channel from the pumping chamber. The angle between the oblique and main channel causes the variation of flow distribution through upstream and downstream channels in suction and blowing modes. In the suction flow mode, the working fluid flows from both the upstream and downstream of the main channel to the pumping chamber through the oblique channel. However, in the blowing flow mode, the fluid pushed out of the pumping chamber flows more toward the downstream of the main channel due to the inertia of the fluid. In the present study, the effects of geometries such as the angle of oblique channel and the shape of main channel on the flow rate of the up/downstream were investigated. The flow rate obtained from the pump and the energy required to the pump were also analyzed for various displacements and frequencies of the oscillation of the diaphragm.
An investigation of low Reynolds number flow in nozzles and diffusers which are widely used in the valveless micropump is presented. Flow characteristics in the nozzle and diffuser are explained in view of viscous effect and flow oscillation induced by pumping membrane. These calculation results show that the rectification property of valveless micropump is due to a flow separation in the diffuser and the separation is largely originated from the flow oscillation. Under the assumptions of steady flow velocity profile and flow separation in the diffuser, simplified analytical models are provided to see the dependency of rectification on the micropump geometry. Geometric parameters of channel length, nozzle throat, chamber size, and converging/diverging angle are depicted through the analytical models in low Reynolds number flow, and the prediction and experimental results are compared. This theoretical study can be used to determine the optimum geometry of valveless micropump.
Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences
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v.36
no.1
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pp.7-13
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2008
In this paper, the pumping performance of a piezoelectric valveless micropump is simulated with a commercial finite element analysis software, COMSOL Multiphysics. The micropump developed in the previous work is composed of a 4-layer lightweight piezo-composite actuator (LIPCA), a polydimethylsiloxane (PDMS) pump chamber, and two diffusers. The piezoelectric domain, structural domain and fluid domain are coupled in the simulation. Water flow rates are numerically predicted for geometric parameters of the micropump. Based on this study, the micropump is optimally designed to obtain its highest pumping performance.
This paper presents the fabrication and performance inspection of a peristaltic micropump by flow simulation. The valve-less micropump using the diffuser/nozzle is consists of base plate, mid plate, top plate and connection tubes fur inlet and outlet. In detail, the base plate is composed of two diffuser nozzles and three chambers, the mid plate consists of a glass diaphragm for the volumetric change of the pumping chamber. The inlet and outlet tubes are connected at the top plate and the actuator fur pressing the diaphragm is located beneath the top plate. The micropump is fabricated on the silicon wafer by DRIE (Deep Reactive ion Etching) process. The pumping performances are tested by the pneumatic test rig and compared with the simulated results fur various dimensions of diffuser nozzles. The pumping characteristics of the micropump by the volumetric change at the pumping chamber is modeled and simulated by the commercial software of FLOW-3D. The simulated results shows that reverse flow is the inherent phenomena in the diffuser nozzle type micropump, but it can be reduced at the dual pumping chamber model.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.30
no.4
s.247
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pp.350-357
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2006
A new valveless micropump for bi-directional application has been developed and tested. The micropump was fabricated on silicon and glass substrates by micromachining process. The micropump in this study consists of a membrane actuator, a pumping chamber, fluidic channels and two piezoelectric ceramic films. The channels and pumping chamber were etched on a glass wafer and the membrane was made on a silion wafer which is actuated by a piezoelectric ceramic (PZT) film. The geometry of the micropump was optimized by numerical analysis and the performance of the micropump was investigated by the experiments. The maximum flow rate was $323{\mu}L/min$ and the maximum back pressure was 294 Pa when the membrane actuator of $10{\times}10mm^2$ was driven at 130 Hz and 385 V.
Pham, My;Phan, Van Phuoc;Han, Cheol-Heui;Goo, Nam-Seo
Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences
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v.37
no.8
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pp.744-750
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2009
In this study, the pumping performance of a piezoelectric valveless micropump is simulated. The micropump, which was developed in the previous work, is composed of a four-layer lightweight piezocomposite actuator, a polydimethylsiloxane (PDMS) pump chamber, and two diffusers. The piezoelectric domain, the fluid domain and the structural domain are coupled in the three-dimensional simulation. We used ANSYS for the piezoelectric and structural domains and ANSYS CFX for the fluid domain. The effects of driven frequency on the flow rate have been investigated by simulating the flow characteristics for 10 Hz and 40 Hz driven frequencies. The flow rates with respect to driven frequencies up to 300 Hz have been calculated.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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