液体混合用多入口压电泵的研究

【摘要】：压电泵是一种新型流体输送装置，具有体积小、结构简单、易于控制、成本低廉等优点，在航空航天、医疗制药、生物工程、化学分析、微型机械电子等领域具有广阔的应用前景。本文深入分析了国内外压电泵的研究现状和液体混合装置研究现状，设计了多入口压电泵结构，并将其应用于液体的混合。研究多入口压电泵的工作原理并进行仿真分析，研制多入口压电泵样机并进行试验测试。本文的主要研究内容如下： 1．提出一种新型液体混合装置 在总结压电泵研究现状的基础上，提出通过增加单腔体有阀压电泵的入口个数来提高压电泵的输出性能，并将多入口压电泵应用于液体的混合，在压电泵腔体内部实现液体混合，成为一种新的液体混合装置。 2．圆形双晶片压电振子仿真分析与试验研究 压电振子是压电泵的核心部件，本文结合压电振子的分类和特点以及多入口压电泵的结构设计要求，确定圆形双晶片压电振子为多入口压电泵的驱动元件，并确定其结构尺寸。应用ANSYS软件对圆形双晶片压电振子建模仿真，通过模态分析，获得了圆形双晶片压电振子各阶模态振型及其对应的固有频率值，选择一阶振动模态作为多入口压电泵压电振子的振型。对圆形双晶片压电振子进行试验测试，分析不同波形驱动信号对压电振子变形情况的影响；分析压电振子中心点位移随驱动电压和驱动频率的变化规律。 3．多入口压电泵结构设计与仿真分析 提出通过增加单腔体有阀压电泵的入口个数来提高压电泵的输出性能并可以实现多种液体混合后的输出的多入口压电泵。选择伞形阀作为单向截止阀，设计单入口、双入口、三入口和四入口压电泵结构，并分析它们的结构特点和工作原理。应用Gambit软件建立了双入口压电泵的二维计算模型，应用Fluent软件对双入口压电泵腔体内部流动液体的速度分布和压力分布进行模拟仿真，分析层流状态/湍流状态下双入口压电泵的腔内压力分布和速度分布。 4．多入口压电泵输出性能试验研究 搭建压电泵试验测试系统，制作多入口压电泵工作样机。采用理论与试验相结合的方法分析入/出流孔位置及面积、腔体高度等结构参数对双入口压电泵输出性能的影响，并确定双入口压电泵的结构尺寸。试验测试单入口、双入口、三入口和四入口压电泵随驱动电压和驱动频率变化时的输出性能，通过对比分析试验曲线，得出入口个数对压电泵输出性能的影响规律：对于出口在压电振子中心的压电泵，适当增加入口个数可以提高压电泵的输出性能。 5．多入口压电泵液体混合试验研究 将多入口压电泵应用于液体的混合，主要研究影响多入口压电泵液体混合比例的因素。采用不同颜色水溶液对多入口压电泵各入口吸入量和总的泵出量进行试验研究，获得混合比例随驱动频率的变化规律，得出驱动频率是影响多入口压电泵混合比例的因素之一。采用对比试验的方法研究驱动频率影响混合比例的原因，得出压电振子两侧振动性能不对称是主要原因，两入口伞形阀截止性能不相同是次要原因。利用甘油水溶液构造出不同粘度液体，对双入口压电泵两入口通入不同粘度液体进行试验研究，分析液体粘度差对混合比例的影响。改变双入口压电泵两侧入口的入流孔直径进行试验研究，分析过流面积对混合比例的影响。