Theoretical, numerical and experimental investigations on the performance of an MHD micropump, which has many advantages over other types of micropumps and a lot of applications, were carried out.
The governing equations for the MHD micropump based on the Navier-Stokes equation with the body force of Lorentz force, Maxwell equations and Ohm’s law were established. A design and performance prediction program was developed for the design of the MHD micropump using these equations with some assumptions. The pump designed using the program has the dimension of 20 mm in length and a rectangular cross section of 5 mm by 0.8 mm. Magnetic fluxes pass vertically and electric current pass beamwise through the liquid gallium in the pump.
In the numerical analysis, a three dimensional laminar and turbulent flow with non-uniform body force under the influence of magnetic and electric field was investigated using a body-fitted coordinate system and a finite difference method. In the analysis of magnetic field, the Maxwell equations were solved using the same numerical algorithms as the Navier-Stokes equation with the exponential decay condition at the end regions of the magnets. The electric field can be obtained by solving Poisson type equation for the electric potential function. All the governing equations associated with the MHD micropump can be solved numerically together using an iteration method. The results obtained from the numerical analysis are velocity, pressure, magnetic and electric field. It was found that the non-uniform Lorentz force causes Hartmann layer velocity distribution and the linear pressure increase along the pump in the flow direction.
The designed MHD micropump was fabricated using photosensitive glass to verify the results from the theoretical and numerical investigations and to draw the performance of the pump. The fabricated pump was tested using the liquid gallium as a working fluid. The maximum pressure increase of 2.82 kPa at the current of 6A and the efficiency of 0.46% at the current of 2A and the flowrate of 40 ml/min were obtained in the experiment using the NdFeB magnets with the magnetic field of 0.375 T. The results are impressive for the practical use of the pump because the performance of flowrate and pressure can be enhanced by increasing the supplying current.
The flow, pressure, magnetic and electric field characteristics of MHD micropump has been drawn through the investigation. The design, analysis and fabrication methods were developed from the theoretical, numerical and experimental analyses. From the results, the design method for the MHD micropump was established.
다양한 활용도 및 다른 형태의 마이크로 펌프에 비하여 많은 장점을 가지고 있는 MHD 마이크로 펌프의 성능에 관한 이론, 수치해석, 실험적 연구를 수행하였다. MHD 마이크로 펌프의 지배방정식은 Lorentz 힘을 체력으로 갖는 Navier-Stokes 방정식과 Maxwell 방정식, 옴의 법칙에 근거하여 성립하였다. 이들 방정식과 일부 가정들을 사용하여 MHD 마이크로 펌프의 설계 및 해석을 위한 프로그램을 개발하였다. 이 프로그램을 사용하여 설계한 펌프는 길이 20 mm, 5 mm x 0.8 mm의 사각단면의 형상을 가졌으며, 펌프내의 액체 갈륨을 통하여 자기장이 상하로 작용하고, 전기장이 측면으로 작용하도록 설계되었다. 수치해석으로는 유한차분법을 이용하여 전기장 및 자기장하에서 균일하지 않은 체력을 가진 3차원 층류 유동장을 고찰하였다. 자기장의 해석에는 자석의 양 끝단에서 지수 감소 모델을 사용하였으며, Maxwell 방정식은 Navier-Stokes 방정식과 동일한 수치해석 기법을 적용하여 해석하였다. 전기장은 전위함수에 대하여 Poisson 형태의 방정식을 통하여 구할 수 있었다. MHD 마이크로 펌프와 관련된 모든 지배방정식은 반복계산법을 통하여 수치적으로 계산될 수 있었다. 수치해석을 통하여 속도장, 압력장, 자기장, 전기장의 결과를 얻을 수 있었으며, 비 균일한 Lorentz 힘은 Hartmann 속도 분포를 유발하였으며, 펌프를 따라 유동방향으로 선형적인 압력증가를 얻을 수 있었다. 설계된 MHD 마이크로 펌프는 이론 및 수치해석 결과를 검증하고 펌프의 성능을 도출하기 위하여 감광유리를 사용하여 제작되었다. 제작된 펌프는 액체 갈륨을 작동유체로 사용하여 성능시험을 수행하였다. 0.375 T의 자기장을 가진 NdFeB 영구자석을 사용하여 전류 6A에서 2.82 kPa의 최대 압력증가를 얻을 수 있었으며, 전류 2A와 40 ml/min의 유량에서 0.46%의 효율을 얻을 수 있었다. 실험결과로부터 펌프의 유량 및 압력 성능은 공급 전압을 높임으로써 개선될 수 있음을 알 수 있었으며, 이는 실용화를 위하여 매우 고무적인 결과이었다. 본 연구를 통하여 MHD 마이크로 펌프의 유동장, 압력장, 자기장, 전기장에 대한특성을 도출되었다. 또한, 이론, 수치해석, 실험적인 기법을 이용하여 설계, 해석, 제작의 기법이 개발 완료되었으며, 이를 통하여 실용화를 위한 MHD 마이크로 펌프의 설계기법이 정립되었다.
