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非对称流道无阀压电泵的理论与试验研究

陶巍巍  
【摘要】:压电泵从本质上来说是一种利用压电陶瓷逆压电效应来进行驱动的新型驱动器。压电泵作为MEMS技术成长的一个重要方面,其所具备的体积微小、精度高、响应快速等优点,在医疗制药、生物工程、化学分析等高科技尖端领域有着十分广泛的应用前景,现有的压电泵有无阀型和有阀型两大类,其中无阀型压电泵依靠了进口、出口形成的相对流体阻力差而实现流体的单向运动。目前研究最多的是基于锥管的无阀压电泵结构,本文提出了将出入口采用不同的流道结构,改变流道的阻尼系数,提高无阀压电泵流动的整体性能。 本文主要的研究内容如下: 1、压电泵的研究现状、发展与应用 通过研究国内外压电泵的发展趋势,以及无阀压电泵自身的发展历程,发现无阀压电泵不仅实现了压电泵的高效率的做功,同时相比有阀压电泵去掉了机械式往复调节流体方向的单向阀,进一步拓宽了泵的工作频率,同时也避免了因为单向阀往复做功而带来阀的磨损和对腔体的破坏,同时还可以输送颗粒状的流体。无阀压电泵的简单的结构,易于微型化的特点使其在MEMS技术中有着持久的潜力。本文提出的新型无阀压电泵,巧妙地利用了泵腔内部空间,压缩了泵的体积,利用非对称流道的设置,与压电振子和腔体共同作用下实现流体的单向流动。该结构省略了安装于泵腔之外的液体流动方向控制装置,更容易实现无阀压电泵微小型化 2、压电振子工作特性分析 设计的非对称流道无阀压电泵是基于逆压电效应的原理,采用PZT压电陶瓷材料,并选用了圆形压电振子作为压电泵的驱动器,选择了压电振子的LE模态,采用了压电振子周边固定的支撑方式,根据非对称流道无阀泵工作状态需要保持长期稳定的重要特点,采用了较为平稳的正弦波信号,测试了驱动电压和频率对压电振子变形量的影响,为了保持泵的稳定性,泵的驱动电压初步选定为60-130v之间,频率初步选定为20-130Hz。 3、非对称流道无阀压电泵的结构设计与研究 分析了对称流道无阀压电泵的工作原理,同时分析了非对称流道与对称流道工作原理的差异,并对上述存在的流道的具体结构进行了分析,对管道流动中细长孔的流动状态进行了判别,对非对称流道无阀压电泵的流体的具体的运动状态(即层流和紊流)进行了划分,并且考虑了流体流动过程的沿程损失和局部损失,以此作为非对称流道无阀压电泵的设计基础,初步设计了各部件的结构尺寸,对于泵的进出水口的直径进行了理论设计,并且推导了泵的理论输出流量和理论输出压力,最后对泵的自吸能力进行了研究。 4、利用ANSYS-CFD模块对非对称流道无阀压电泵腔内流体仿真分析 利用/ANSYS软件建立了非对称流道无阀压电泵腔体的三维计算模型,通过CFD模块对腔内流体工作特性进行仿真分析,首先仿真对称锥管流道内的层流状态流体的速度矢量图以及腔体内的压力分布图;同时仿真对称锥管流道内的湍流状态流体的速度矢量图以及腔体内的压力分布图;需要研究非对称V-锥流道无阀压电泵的湍流状态流体的速度矢量图以及腔体内的压力分布图 5、非对称无阀压电泵样机制作与试验研究 制作了非对称流道无阀压电泵和对称流道无阀压电泵样机,将非对称流道无阀压电泵和对称流道无阀压电泵分别进行了对比试验,采用了保持其它变量不变,实行单因子变量控制的方式,进行三类无阀泵的比较:改变了泵的驱动电压、驱动频率和腔体厚度依次进行对比试验测量了相关的数据:分别研究了频率变化对三种无阀压电泵的流量和输出压力的影响;驱动电压变化对三种无阀压电泵的流量和输出压力的影响;腔体厚度变化对三种无阀压电泵的流量和输出压力的影响。


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