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基于数值模拟的三通扩散/收缩管无阀压电泵设计及性能研究

杨嵩  
【摘要】: 无阀压电泵是利用压电材料的逆压电效应制成的压电振子的机械振动实现流体输送,且泵体中没有可动阀体,结构简单,易于加工和微型化,可用作微流体系统的流体驱动部件,在航空航天、医疗器械、生物基因工程等领域具有广泛的应用前景。 本文首先对压电振子和无阀压电泵的工作原理进行介绍,以扩散/收缩管无阀压电泵为例,对扩散/收缩管中的流动情况进行理论分析,得到了流管的流动特性;分析泵内的流动情况,得到其流量和容积效率的计算表达式。 针对传统扩散/收缩管无阀压电泵容积效率低,流量小,无法满足小体积大流量应用要求的缺点,本文提出一种新型的三通扩散/收缩管无阀压电泵,该泵是对传统扩散/收缩管无阀压电泵的改进设计。应用数值计算方法对三通扩散/收缩管和传统扩散/收缩管中流动进行对比,结果表明与传统扩散/收缩管相比,三通扩散/收缩管反向流阻系数与正向流阻系数比值λ较高,可提高无阀压电泵的容积效率。利用数值计算方法分析不同雷诺数下三通扩散/收缩管的几个重要的结构参数(汇流管管口圆角半径、分流管长度、分流管夹角角度、分流管锥角角度和分流管宽度)对流管流阻的影响,为三通扩散/收缩管的优化设计提供参考依据。 压电泵运行涉及电场、应力场、流场等多个物理场的相互作用,是一个复杂的多场耦合系统。考虑到压电泵中的压电效应和流固耦合,应用大型有限元分析软件ANSYS对三通扩散/收缩管无阀压电泵运行过程进行数值模拟,分析驱动电压对振子的影响及振子变化对泵内三维空间内流体流动的影响,绘制出该泵的流量—背压曲线并与传统扩散/收缩管无阀压电泵比较,结果表明三通扩散/收缩管无阀压电泵的输出性能更佳。通过预测在不同激励电压频率和幅度下三通扩散/收缩管无阀压电泵的性能,分析电压频率和幅度对压电泵输出流量的影响。


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