“V”形无阀压电泵理论分析与数值模拟

基于无阀压电泵中扩散/渐缩管流动特性,提出一种用于无阀压电泵的新型“V”形管,以满足微型全分析系统的应用要求.阐述了“V”形无阀压电泵的结构和工作原理,对“V”形无阀压电泵内的流动进行理论分析,得到了“V”形无阀压电泵的平均流量计算公式和效率公式.采用有限元方法对“V”形管进行模拟计算,得到了“V”形管内正反流动的压力分布,发现“V”形管正反流动的速度存在差异.通过分析得出最优分流角与扩散角.在不同进出口压力差下,对“V”形管、并联扩散管以及＂Y＂形管的压力损失系数比进行比较,发现前两者压力损失系数比曲线变化趋势具有一致性,证明了“V”形管数值模拟的可靠性.数值计算结果对“V”形无阀压电泵优化设计具有指导意义.     

基于数值模拟的V形管压电泵优化设计

分析了V形管内的流动损失,并初步优化V形管无阀压电泵结构,利用CFD软件对改进前后的V形管内流场进行了数值模拟,结果表明：直角汇流管口改为圆角后的V形管流阻系数有了明显提高.通过对比改进前后两种V形管流场速度矢量图,发现圆角V形管可抑制正向流动时管内回流和漩涡的发生,减小流动损失.对不同圆角半径的V形管内流场进行数值模拟,得到不同圆角半径V形流管的流阻系数,表明较大的圆角半径可有效地提高V形管流阻系数,即提高了V形管无阀压电泵的效率.此优化设计可为V形管压电泵的进一步改进提供思路.     

“V”型无阀压电泵的流阻特性

基于扩散/渐缩管流动特性,提出一种用于无阀压电泵的 "V"型管,以满足微型全分析系统等应用需求.阐述了"V"型无阀压电泵的结构,对"V"型无阀压电泵内的流阻特性进行理论分析.通过采用有限元法对"V"型管进行模拟计算,研究"V"型管的结构参数对其流阻特性的影响.研究表明:"V"型管的分流角、扩散角以及进口宽度对其流阻特性影响较大,"V"型管的长度对其流阻特性影响较小;较大的"V"型管深度有利于提高泵的效率.     

单振子双腔体V形管无阀压电泵的流场分析

为了提高泵送流量,获得连续、低脉动的输出特性,设计了一种单振子双腔体V形管无阀压电泵,并建立其几何模型,对其工作原理进行了简要介绍,采用Fluent软件的动网格模型对其内部流动进行数值分析．对压电泵内部流场进行动态模拟,得到不同时期压电泵内部的压力、速度及瞬时流量等动态特征,将双晶片压电振子的动态特征和流体的运动特征有机地结合在一起,结果与压电泵的工作原理相吻合,验证了动网格模型应用于压电泵数值模拟计算的可行性．通过大量的数值模拟研究了驱动频率、压电振子振幅、泵腔高度和V形管位置对单振子双腔体V形管无阀压电泵输出性能的影响．模拟结果表明：驱动频率为250Hz时单振子双腔体V形管无阀压电泵的出口流量最大;压电振子振幅越大,出口流量越大;合理选择一组振幅值、泵腔高度和管道位置,便可得到压电泵的最优输出性能．     

基于正交设计法的“V”形管优化设计

基于无阀压电泵中扩散/渐缩管流动特性,提出一种新型“V”形管.为了获得“V”形管最佳的流阻性能,对“V”形管的结构参数进行优化设计.基于正交设计法,采用有限元仿真的试验方法,设计了一个四因素三水平的正交方案,并对仿真试验所获得的数据进行极差分析,得到了各几何参数对“V”形管流阻系数影响的主次顺序,同时获得较合理的新方案.通过进行再设计和分析,并与正交方案进行对比,最终验证了新方案是最优方案,为“V”形管无阀压电泵的优化设计提供了一定的参考.     

三通全扩散/收缩管无阀压电泵的流阻性能

针对传统扩散/收缩管无阀压电泵效率低的不足,提出一种新型三通全扩散/收缩管无阀压电泵.为了寻求新型三通全扩散/收缩管流管的最佳几何尺寸参数,在有限元仿真试验方法的基础上,将新型三通全扩散/收缩管与传统扩散/收缩管进行性能对比分析.分别改变三通全扩散/收缩管的分流锥管长度L2、分流锥管夹角φ、分流锥管的锥角2θ和分流锥管宽度b2,研究分流锥管结构参数对三通全扩散/收缩管流阻特性的影响.结果表明,相对于传统扩散/收缩管,三通全扩散/收缩管的反向流阻系数与正向流阻系数之比λ在较高雷诺数下大于传统扩散/收缩管,可提高无阀压电泵的效率;在不同雷诺数流动下,三通全扩散/收缩管的最优结构参数相差较大,设计时必须要根据实际工况选用合适的结构参数.     

并联三通全扩散/收缩管无阀压电泵的性能

采用流固耦合的方法,对三通全扩散/收缩管单腔无阀微泵进行了数值模拟计算,并进行试验验证,结果表明:当激励电压幅值为100 V时,在50～175 Hz范围内,微泵的流量随频率的增大而增大,计算值与试验值的最大误差为12%;当确定频率为100 Hz时,微泵流量随电压的增大而线性增大;试验结果较好地验证了数值模拟方法的可行性.在此基础上,针对单腔无阀微泵低流量、低输出压力的缺点,设计并研究了基于三通全扩散/收缩管的并联结构无阀压电泵.应用上述数值模拟方法,分析了并联结构下两振子振动相位差对微泵流量的影响,绘制出了不同相位差下并联微泵流量图和微泵在1个周期内瞬时流量图,并与单腔结构的微泵进行了性能对比.结果表明:并联结构下微泵流量随振子振动相位差的变化不大;在相位差为180°时流量最大,为0.367 mL/min;在相位差为360°时微泵实现了流量的连续输送,其流量为0.349 mL/min,性能较单腔结构微泵有了较大的提高.     

基于附壁效应的无阀压电泵研究

提出一种基于附壁效应的无阀压电泵,该泵利用附壁射流元件造成吸入过程和排出过程中进出口的流量差,实现流体输送。首先通过动网格技术及数值模拟研究微泵的内部流场和外特性,结果表明该无阀压电泵的容积效率η可以达到0.5以上,高于传统扩散/收缩管无阀压电泵。然后讨论了平面锥管长度和两分流直管间凹劈面宽度对微泵性能的影响,平面锥管长度L1必须大于dcot(θ/2),当c2/c1=1时L1/d=9的微泵在零输出压力下流量最大;不同输出压力和c2/c1的微泵流量对比表明凹劈面宽度越宽微泵输出压力性能越佳,但是在低输出压力下微泵随着凹劈面宽度的增加其容积效率降低。最后应用响应面方法对平面锥管长度和凹劈面宽度进行优化,结果表明当输出压力为5 k Pa时,最优的参数选取范围为4≤L1/d≤5,0.75≤c2/c1≤0.85,当L1/d=4.3,c2/c1=0.80时η达到最大,为0.323。其数值模拟为0.317,相差1.89%。     

隔舌圆角对核主泵环形压水室流动特性的影响

为了研究核主泵隔舌圆角对环形压水室流动特性的影响,以缩比系数为0.4的核主泵模型泵为研究对象,通过改变隔舌圆角大小设计出11种方案,同时在压水室内建立10个截面,并以此表达压水室流场变化规律,通过数值方法对设计工况下不同方案泵内流场进行数值模拟.对模拟结果分析表明:压水室内压力沿主流流动方向先增大后减小,在以出口扩散管中心为起点沿主流流动方向旋转180°处压力最大;在设计工况下,环形压水室水力损失主要产生于以出口扩散管中心为起点沿主流流体流动方向的1/4环形流域内;隔舌圆角对泵性能有一定影响,在设计工况下隔舌圆角大小只对环形压水室性能有影响,对叶轮性能、导叶性能几乎没有影响;随着隔舌圆角增大,环形压水室水力损失先减小后增大,存在极小值使得环形压水室性能最优;R=50 mm时,环形压水室水力损失最小,泵性能最优.研究结果可为环形压水室隔舌圆角的设计提供一定的理论依据.     

并联压电泵腔体初始容积设计

为探究腔体初始容积对压电泵性能的影响,设计了双腔体并联压电泵.通过理论分析,确定了双腔并联压电泵能够工作时泵腔初始容积的取值范围,根据理论公式设计制作了6种不同腔体初始容积的双腔并联有阀压电泵样机,对泵腔初始容积的变化与泵工作性能关系进行研究.在110 V工作电压下,工作频率小于400 Hz范围内,用压电双晶片进行驱动,分别以液体水和空气为介质,对不同压缩比（压电振子振动产生的泵腔容积变化量与泵腔初始容积的比值）下的并联泵进行了试验测试.结果表明,当泵送液体水时,压缩比为1/18时泵的整体输出流量最好,最大输出流量可达1 330 mL/min,压缩比越大,泵的输出压力和自吸能力越好,最大输出压力和自吸高度分别为58.5 kPa和69 cm;当泵送气体空气时,压缩比越大,泵的输出能力越好,最大输出流量和压力分别为850 mL/min和6.5 kPa,当压缩比小于1/32时,泵已经失去了输出气体能力.     

不同激励信号驱动下压电泵的输出性能

为了研究不同的激励信号驱动下无阀压电泵的输出性能,以锥形流管无阀压电泵为研究对象,根据激励信号的数学表达式理论分析了常见的正弦波、方波和三角波等信号激励下的压电振子振动特性,并以去离子水为传输介质,试验研究不同信号激励下的压电泵的液体传输特性和压电振子的振动特性.试验结果表明:锥形流管无阀压电泵在3种不同激励信号下,随着驱动频率的增大,其流量均呈现先增大后减小的变化趋势;当驱动电压为单峰100 V,频率9 Hz时,方波信号驱动产生的泵流量最大,为1.86 g/min;三角波信号驱动产生的泵流量最小,为1.29 g/min.并且,方波激励下的压电振子振幅最大,为64.82μm;三角波激励下的振子振幅最小,为52.29μm.同时,由泵流量与压电振子振幅曲线可知,振幅并非影响压电泵输出流量的唯一因素.综合对比可发现,方波信号驱动下的压电泵输出性能最强,但振动噪声较大,影响使用.     

尾鳍对无阀压电泵性能的影响分析与试验研究

为了研究仿尾鳍式无阀压电泵的工作性能,探讨尾鳍对无阀压电泵泵送流量的影响,运用ANSYS软件对压电振子进行了湿模态分析,得到压电振子的前三阶工作频率以及压电振子的振型,然后通过Fluent软件,分别对有尾鳍和无尾鳍压电泵泵送性能进行仿真分析和试验对比.通过仿真分析得出,当激励电压峰峰值为100 V,频率为800 Hz时,有尾鳍时压电泵的泵送流量为65.34 m L/min,无尾鳍时压电泵的泵送流量为5.32 m L/min.试验结果表明:当仿尾鳍式压电振子的工作电压峰峰值为100 V,工作频率为760 Hz时,泵送流量为75.65 m L/min,工作频率为800 Hz时,泵送流量为60.25 m L/min;而无尾鳍压电泵在相同电压和频率下的泵送流量分别为4.60,4.10 m L/min,发现仿尾鳍式无阀压电泵泵送流量的主要来源为尾鳍对流体的驱动,分析了误差产生的原因,通过试验测试泵送流量与仿真结果进行对比,进一步验证仿真分析的正确性.     

附壁射流无阀压电微泵的多场耦合模拟

为了研究在多场耦合影响下的压电微泵的输出性能,提出了一种新的数值模拟方法,以附壁射流无阀压电微泵为对象进行数值计算,并通过试验验证了数值计算方法的正确性,同时对压电泵的外特性进行了研究.结果表明:随着频率的增大,压电泵的流量和背压都呈现先增大后减小的趋势;当电压为200 V,频率为62.5 Hz时,压电泵的流量和背压都达到最大,分别为0.703 mL/min和0.672 kPa;提取压电振子的位移分布和压电泵瞬时流量的数据,显示压电泵的出口瞬时流量滞后于瞬时电压的原因是耦合作用的影响;随着喉部高度H的增大,压电泵的流量呈现先增大后减小的趋势,当电压为200 V,频率为50.0 Hz,喉部高度H=0.4 mm时流量达到最大,为4.023 mL/min;结合压电振子的最大位移曲线和压电泵内部流场的速度矢量图分析,表明压电振子的最大振幅决定于从泵腔泵出的总流量,而内流场形成的旋涡尺寸和位置决定了进口管和出口管之间流量的分配.     

一种新型共振式气体压电泵

针对膜片式压电泵气体驱动能力不足,被输送气体流动受阻时压电振子易发热受损,以及叠堆式共振压电泵造价高昂等问题,提出了一种以圆环状压电双晶片为动力源,通过位移放大机构驱动的新型共振式气体压电泵.对新型共振式气体压电泵的工作原理及其位移放大原理进行了分析,建立了该泵的振动力学模型.分析结果表明,该泵位移放大效果与压电双晶片提供的驱动位移有关,系统放大倍数与弹簧片和压电振子的刚度、系统的黏性阻尼因子及激励频率有关.设计并制作了新型共振式气体压电泵的试验样机,使用阻抗分析及激光测量方法测试了其位移放大效果,并验证了气体输出性能.试验表明,在70 V的正弦交流电压驱动下,该泵通过共振方式可将输出端位移放大至压电振子位移的4.2倍以上,气体输出流量可达1 685 mL/min.在气体流动受阻的情况下,该泵连续工作2 000 h无明显温升.     

无阀压电泵半球缺阻流体横向排列流阻干扰特性研究

为分析阻流体无阀压电泵用半球缺横向排列的流阻特性及对泵输出性能的影响,对泵腔内多个半球缺横向排列的流阻作用规律进行了研究。基于单个半球缺绕流阻力的研究成果,在分析横向排列半球缺的影响因素基础上,通过试验得出了两个半球缺横向排列流阻干扰系数及绕流阻力系数的作用规律;进而推导了多个半球缺横向流阻干扰系数及绕流阻力系数的理论计算;通过对4个横向排列半球缺的流阻及泵流量试验,验证了该理论推导用于分析、预测半球缺阻流体无阀压电泵流阻特性和理论流量的可行性。在驱动电压为120 V、驱动频率为6 Hz时,得到了44.78 mL/min的泵流量,理论和试验流量的平均偏差为39.34%。     

无阀压电泵流阻测试装置研究

无阀压电泵的泵送性能主要取决于管道系统中的正、反向流阻差值,因而对流阻的测试尤为重要。为此设计了能够实现自动或半自动上水功能的无阀压电泵流阻测试装置,该装置测试液体的流速范围较宽,易于分析、研究流阻作用规律;以半球缺阀为例推导了阻力系数公式;利用新、旧2种测试装置对半球缺阻流体无阀压电泵的流阻进行了测试并计算了泵理论流量,与试验流量的偏差分别为34.38%、117.33%。研究表明:无阀压电泵流阻测试装置极大地提高了流阻测试精度;能够进行流阻测试、分析、泵理论流量计算及试验流量的预测。     

脉冲液-气射流泵能量平衡

应用能量平衡分析方法,得到脉冲液-气射流泵内能量损失的压力比表达式,分析其传能及传质的机理和主要影响因素,研究了主要流动部件的能量损失变化对脉冲液-气射流泵性能的影响,并进行了相应的试验研究和数值研究.研究可知最优面积比的液-气射流泵应是在较大的流量比区间具有较好的压力比,通过5个面积比的试验得到最优面积比为4.34.研究结果表明：主要流动部件的能量损失的理论分析与试验结果基本一致;计算了主要流动部件的能量损失压力比,分析其与面积比和流量比的关系;脉冲射流频率、射流泵的面积比、流量比和射流泵喉管长度是影响射流泵能量平衡和液-气射流泵能量特性的主要因素.通过各面积比下,脉冲与恒定液-气射流泵能量损失压力比、性能、效率的试验数据进行对比研究,验证了脉冲射流是提高液-气射流泵效率的有效途径.     

双腔串联压电胰岛素泵性能分析与试验

针对目前胰岛素泵多采用步进电机作为驱动源进而成本高、结构复杂的应用现状,提出利用压电泵进行胰岛素推注的研究方案.分析了压电胰岛素泵的工作原理及两种工作方式,即直接输液与间接输液.对比了无阀压电泵、主动阀压电泵及被动阀压电泵性能特点,同时为提高泵输出压力,选择双腔串联压电泵作为胰岛素注射的驱动源,设计了双腔串联压电泵的结构,分析了双腔串联压电泵的工作原理,对常见的3种截止阀进行开启压力及流量性能测试,制作不同截止阀的双腔串联压电泵样机,搭建了试验测试系统,测试不同驱动频率下压电泵直接输送与间接输送方式输出流量、输出压力变化对比曲线.试验结果表明：与直接输液相比间接输液方法压电泵输出流量及压力均较大,在驱动电压为100 V、频率为210 Hz时,间接输出最大流量达到810 mL/min;伞形橡胶阀截止性能好,压电泵输出流量较大.     

液气射流泵扩散管内部流动试验研究

采用压力传感器对扩散管壁面压力进行了测量,获得不同工作水压力和不同气液体积流量比时的扩散管增压情况.结果表明:在给定试验尺寸的有机玻璃制作的液气射流泵扩散管中,壁面压力上升的增量范围为2~5 kPa,且存在压力下降然后再上升的现象,因此,对于垂直安装的液气射流泵,需要考虑其尺寸高度产生的静压对扩散管内部流动的影响;扩散管内部流动对液气射流泵的射流混合性能影响较大,其中液气两相混合在喉管内的初始断面位置的变化对扩散管角度的设计有较大影响.采用PIV装置对扩散管内部液相流速分布进行了试验测量,获得2种气液比情况下扩散管轴线速度和断面速度分布,结果表明:轴线速度衰减约20%;扩散管的断面速度分布不均匀,在气液比较小时,出现流动偏向一侧的情况.该扩散管内部流动的研究结果可为液气射流泵应用于曝气、气体吸收等领域提供一定的理论基础.     

对数螺旋组合管无阀压电微泵性能

为了增大流管的流阻比以提高微泵性能,在传统的扩散/收缩管基础上提出1种新型对数螺旋组合管结构.该组合管为三通结构,由汇流管即传统的扩散/收缩管和分流管即以对数螺旋线为轮廓的一对对称流管组成.利用数值模拟方法分别对汇流管和分流管进行正交优化设计,并通过试验对数值模拟结果进行检验.结果表明优化后的对数螺旋组合管正反向流阻比近似为常数1.7,优于传统的扩散/收缩管.正、反向流动数值模拟结果相比试验值误差分别小于20%和12%.加工出应用对数螺旋组合管的样泵并进行试验测量,结果显示该微泵的扬程和流量在频率为225 Hz下存在峰值,该频率下扬程和流量随输入电压的增大而增大.该微泵最大扬程为396 mm水柱,最大流量为0.43 mL/min.应用该组合管可以有效增大正反流阻比从而提高无阀压电微泵的性能.