扁锥腔无阀压电泵理论与实验研究

【摘要】： 压电泵是近年发展起来的一种新型流体输送装置,由于具有流量精度高、控制性好、结构简单、体积小、成本低等优点,在医疗制药、生物工程、化学分析、仪器仪表等领域具有广阔的应用前景。 现有压电泵主要有无阀型与有阀型两大类,其中无阀型压电泵依靠置于进出口的收缩管与扩张管的阻力差实现流体的单向流动。本文提出在压电泵内部设置扁锥形孔腔,通过压电振子与扁锥形孔腔对流体的共同作用实现流体的单向流动,是一种新型无阀压电泵(以下简称扁锥腔无阀压电泵)。本文阐述、分析了这种压电泵的工作原理、结构与基本理论问题,制造样机进行了试验。主要研究内容如下: 首先分析了扁锥腔无阀压电泵的主要驱动元件-圆形复合压电振子的动力学状态,以多种支撑方式为边界条件,分析、推导了压电振子弹性曲面微分方程和振动方程,获得了结构与尺寸参数对压电振子性能的影响规律;而后通过实验测试了压电振子的变形状态,为合理设计压电泵结构与尺寸取得依据。 基于扩张管/收缩管流体力学理论阐述了扁锥腔无阀压电泵结构构成方法与工作原理,分析了在压电振子与扁锥腔共同作用下流体的流动阻尼与受力状况,推导出了流量计算公式,解释了自吸性的成因与影响因素;在此基础上进一步利用Fluent分析软件对扁锥腔无阀压电泵的工作过程进行了模拟仿真分析,获得了扁锥腔锥角、腔高等结构参数对扁锥腔无阀压电泵输出性能的影响规律。 设计、制作了多个锥角、腔高等结构参数的扁锥腔无阀压电泵样机,分别以纯净水、不同粘度的甘油水溶液为传送介质,测试了多个驱动电压与工作频率状态下的输出性能;试验数据与理论分析结果取得了较好的一致性。由此可以认为利用扁锥形孔腔构造无阀压电泵是可行的,它是无阀压电泵的一种新型构造方法。 扁锥腔无阀压电泵为本文首先提出并进行了相关研究,目前国内外均未见有相同原理压电泵的研究报道,具有创新性。 本文由国家高技术研究发展计划项目(863计划)《具有自检测功能的微型压电泵开发研究》(项目编号:2007AA04Z336)和国家自然基金项目《主动阀压电泵作用机理及关键技术研究》(项目编号:50575093)提供资助,是这两个项目研究内容的一部分。