双腔体四振子压电泵设计及试验

为提高压电泵的输出流量和输出压力,增强自吸性能,采用四片压电振子构建两个工作腔体的新型压电泵结构,即双腔四振子压电泵.在对该新型压电泵进行结构设计的基础上,分析了其工作原理和工作特性,给出了输出流量和输出压力的计算方法,并加工制造了四振子压电泵样机.对四振子压电泵在单腔体双振子、双腔双振子和双腔四振子工作方式下进行了试验对比,结果表明,采用腔体串联能够提高压电泵的输出流量和输出压力,双腔四振子压电泵在驱动电压为150 V AC,频率为120 Hz时,最大输出流量为1160 mL/min,而双腔双振子最大输出流量为650 mL/min（138 Hz）,单腔双振子最大输出流量为250 mL/min（160 Hz）;双腔四振子压电泵自吸高度可达到55 cm.     

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.     

圆形双振子式主动阀压电泵设计与性能实验

设计了一种圆形压电振子式主动阀压电泵.通过推导主动阀理论流量公式,分析了影响主动阀流量的主要因素,即阀口内半径和阀座宽度.通过对圆形压电振子式主动阀压电泵性能的实验得出了工作频率、泵腔压电振子驱动电压、输出端背压、主动阀驱动信号与泵腔压电振子驱动信号的相位差是主动阀压电泵的性能影响因素.设计的主动阀压电泵同时具备双向泵送流体的能力.实验结果表明:该泵在30 Hz、120 V的正弦信号驱动下,流量达到了123 mL/min.     

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.     

涡旋阀压电泵内部空化流动的数值分析

设计了一涡旋阀压电泵,采用动网格模型对其进行数值分析.首先对涡旋阀压电内部流场进行了动态模拟,得到了不同时期压电泵内的速度和静压分布图,有效地将压电振子的动态特征和流体的运动特征进行了间接流固耦合分析,验证了动网格模型在研究压电泵运动边界方面的可行性.研究了驱动频率,压电振子振幅,泵腔高度对涡旋阀压电泵输出性能的影响,发现驱动频率越小,压电振子振幅越大,出口体积流量越大,泵腔高度约为250μm,出口流量达到最大值.此外,还分别对涡旋阀和涡旋阀压电泵进行了空化模拟,得到了空化时涡旋阀内和不同时刻泵腔中的气液分布,为有效预测压电泵腔内空化,抑制空化现象提供了一定依据.     

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%。     

三腔串联压电泵的结构设计与试验测试

为研究增加腔体数目对压电泵输出性能产生影响,结合多腔体串联压电泵的工作特点,采用带有被动截止阀的工作方式,设计了一种结构新颖的三腔串联压电泵.理论分析了在压电振子不同工作方式下三腔串联压电泵的工作特点,获得最佳工作方式,并通过样机的试验测试进行验证.以水为工作介质,对三腔串联压电泵输出能力进行了试验测试,将输出结果同双腔串联压电泵进行比较.结果表明：三腔串联压电泵流量输出同两腔串联压电泵比较有所降低,前者约为后者的0.7倍,但压力输出有所提高,前者为后者的1.5倍;增加腔体数目会进一步提高串联压电泵的输出压力,但却减少了输出流量;所设计的三腔串联压电泵,在110 V正弦交流电驱动下,最大输出流量可达860 mL/min,最大输出压力可达80 kPa.     

有阀压电薄膜泵性能研究

分析了腔体容积和阀的结构对压电泵最佳工作频率的影响，提出了小腔体、复合阀结构的压电薄膜泵设计观点。实验结果表明，采用较小的腔体体积(腔体压缩比足够大)和复合阀结构，可使压电泵最佳工作频率增加，同时使压电泵具有较强的自吸能力和抗气泡干扰能力。在无负载时对应流量的最佳工作频率为50Hz，随负载增加相应减小；对应输出压力的最佳工作频率为20Hz。在输入电压80V、工作频率20Hz时，压电泵最大自吸压力为2．5kPa，在输出压力小于3．0kPa时，进入腔体内的气泡可自行排出。     

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.     

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.     

单腔体气体压电泵设计

为制造输出性能良好的气体压电泵,设计了一种新型的伞形橡胶阀．分析了伞形橡胶阀的过流特性,并应用Ansys软件,对阀的工作性能进行仿真分析,确定了伞形橡胶阀的前10阶固有频率和阀工作失效时作用在阀两侧的临界压力值．仿真结果表明:在泵工作频率低于阀一阶固有频率时,且当作用在阀两侧的临界压力值大于08 kPa时,阀因为开启高度过大而不能恢复到关闭状态导致泵工作失效．并对泵用压电振子在泵送气体时进行了发热性能测试以及应用伞形橡胶阀所设计的单腔气体压电泵进行输送气体和液体试验,试验结果表明:在110 V正弦交流电压驱动下,驱动电压频率小于400 Hz时,振子的热平衡温度小于70 ℃;输送气体时,在最佳工作频率为380 Hz时,最大输出流量和压力分别为1 889 mL／min和51 kPa;输送液体时,在最佳工作频率为240 Hz时,最大输出流量和压力分别为300 mL／min和250 kPa．     

单振子气体压电泵研究

对单振子压电驱动微型气泵进行了结构设计,并对其主要构件单向阀进行了动力学建模与仿真分析,在此基础上制作了微型气泵样机,并进行了测试实验。设计的单振子压电气泵以中间开孔的压电双晶片为动力源,利用粘结在压电片孔上的单向阀来截止流体。泵的进、出口在压电片的两侧,以压电振子的振动动能直接驱动单向阀产生与泵腔容积变化相应的打开/关闭动作,与传统的进、出口在同侧、仅依靠单向阀两侧的压差驱动单向阀工作的压电气泵相比流阻小,且具有很好的单向截止性,并提高了气体输出流量和单向截止阀响应频率。实验证明当驱动电压为40 V、频率为1 000 Hz时,输出流量可达到720 mL/min。     

主动阀压电泵的设计

综述了国内外压电泵的研究与进展,通过比较被动阀压电泵与主动阀压电泵的工作原理,提出了主动阀压电泵潜在的应用价值。依据工作原理,设计、制作了由压电振子分别作为泵驱动源和进、出口阀的主动阀压电泵,并对泵的驱动信号进行了研究。性能测试结果:在140 Hz下,主动阀压电泵的最大输出流量为40 ml/min,最大输出压力为12.25 kPa。结果表明:主动阀压电泵的性能、单向截止性及执行效率明显优于被动阀压电泵。     

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．