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。     

V型无阀压电泵的流场分析

简述了V型无阀压电泵的结构和工作原理,通过对其流动进行理论分析,建立泵的平均流量方程和效率公式.采用有限元方法建立V型无阀压电泵的简化模型,通过对V型无阀压电泵内部流场进行模拟分析,得到供给状态与泵送状态下的压力云图与速度矢量图.通过与并联扩散管压电泵在不同进出口压差下的压力损失系数比进行比较发现其变化规律的一致性,且V型无阀压电泵压力损失系数比的曲线平直上升,说明V型无阀压电泵比并联扩散管压电泵的流动稳定性好,从而验证了V型无阀压电泵的可靠性.     

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。     

半球缺无阀压电泵泵送性能优化分析

半球缺的排列方式、数量及间距直接影响半球缺无阀泵的泵送性能。通过对泵理论流量的推导,揭示了半球缺无阀泵具有泵送流体性能的机理;通过对纵向及横向排列半球缺数量及间距的变化对流场及仿真流量影响的研究,发现半球缺排列方式、间距及数量的改变其实质是改变了半球缺的反正向流阻差这一重要现象;探明了减小横向间距、适当增加纵向间距及适当间距范围内增加半球缺的数量均能提高泵流量的重要规律;最后,通过泵流量试验验证了仿真结论的正确性:以安装有4个纵向及横向等间距10 mm排列半球缺的泵进行试验,分别得到了48.29 m L/min、50.29 m L/min的试验流量,与仿真流量的偏差分别为34.6%、34.0%,进一步验证了相同条件下增加横向排列半球缺数量能获得更好的泵送效果。     

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。     

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%。     

“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.     

无阀压电泵用椭圆组合管正交优化设计与试验

为了提高无阀压电泵中流管的流阻特性,提出一种新型椭圆组合管结构。该流管为三通结构,汇流管是传统扩散/收缩管,分流管是椭圆曲线结构的扩散/收缩管。通过数值模拟,应用正交方法优化椭圆组合管的结构参数。设计选用的汇流管最小宽度d=150μm,流管深度H=150μm,优化结果表明当进出口压差为50kPa时,结构尺寸为r=75μm,L=3000μm,θ=7°,γ=80°,a=1000μm,b=450μm的椭圆组合管有最高的正反向流阻系数比λ。通过MEMS技术制作出优化后的椭圆组合管并进行试验,并与数值模拟结果对比。结果表明：试验值小于模拟值,压差在10～100kPa范围内,正向流量试验值与模拟值最大相差12.6%,反向流量两者最大相差5.3%;压差为50kPa时,两者的λ值分别为1.83和1.97,相差7.65%。     

无阀压电泵用平面锥管内部流动特性

为了研究锥管的流阻特性,采用数值模拟的方法对最小截面宽度为150μm,高度为150μm的平面锥管进行分析,得到雷诺数在100～2 000范围内,收缩方向流阻系数与扩散方向流阻系数的比值λ随锥角θ及流管长宽比l/w变化的规律.结果表明：流管锥角越小,θ及l/w对λ值的影响越大,且流管的流阻特性随θ和l/w的变化发生了转换;在Re=100与Re≥500两种工况下,流管扩散方向流阻系数ξd随θ及l/w的变化趋势相反;Re=100时,流管多呈沿扩散方向流阻较小的Ⅰ类流管特性,θ=20°,l/w=20的流管的λ值最大达到1.22;Re≥500时,流管多呈沿收缩方向流阻较小的Ⅱ类流管特性,θ=20°,l/w=1的流管的λ值最小达到0.63.说明不同雷诺数流动下流管的流阻特性相差较大,不同工况下可通过选用合适的流管结构参数提高无阀压电泵的工作效率.     

基于有限元模拟的泵用压电振子正交优化设

作为压电泵的驱动源,压电振子的振动性能影响泵的性能.为此,对影响压电振子振动性能的压电振子结构参数以及材料参数进行优化设计.基于有限元模拟分析方法,采用正交试验和对分析结果进行极差分析,得到了各影响因素分别对压电振子中心点处振幅以及谐振频率两个重要指标影响的主次顺序,并得到了较好的方案.通过再设计试验分析,最终获得了提高压电振子振动性能的最优方案.     

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。     

压电共振型隔膜气泵设计

提出了一种利用系统共振原理的压电共振型隔膜气泵.分析了共振泵的工作原理,建立了共振泵的动力学模型,通过计算获得影响共振泵输出流量的主要因素.设计了共振泵样机,使用激光测微仪测得隔膜片的放大位移约是同一支撑条件下的压电振子位移的5.3倍,设计了测量共振泵输出流量的实验装置.通过实验测试得到在不同的振动弹簧刚度、调整弹簧片刚度和隔膜片刚度下输出流量及其相应的变化规律.实验测试表明:在输入电压为150 V、振动弹簧片厚度为0.6 mm、调整弹簧片厚度为1.4 mm、刚性传振活塞与隔膜片半径比为0.5和共振频率为230 Hz时,输出流量可以达到1 650 mL/min.     

压电泵泵阀高频振动时不完全关闭特性研究

为了阐述压电泵高频工作时其阀的不完全关闭现象,并更好地利用该状态下压电泵特有的优点,分析了此条件下泵的出流机理,从理论上证明了现象的存在性,并得到预测依据.以流体作用在阀上的动压为基础,建立阀在液体中的振动力学模型,得到阀在压电泵工作状态下的频率响应,同时利用流体动力学分析阀在工作液体中的平均受力及位移,通过动态响应和平均位移的相对关系,得出阀不完全关闭的充分条件为振幅放大系数小于0.25.试验结果表明:80 Hz时阀处于可完全关闭状态;140 Hz时振幅放大系数小于0.25,阀的不完全关闭现象出现;随着频率升高振幅放大系数减小,260 Hz时阀的不完全关闭现象更加明显,阀与阀座的最小间距大于30μm.     

零迎流角半球缺群无阀压电泵流阻与流量特性研究

半球缺群相比于单一的半球缺具有更好的正、反向流体阻力不等特性,为分析其流阻变化对泵送性能的影响,对泵腔内半球缺群的行数、列数及行列间距的变化进行了研究。推导出半球缺群的正、反向阻力系数作用规律,流阻试验及泵流量试验验证了该规律分析计算流阻及泵流量的可行性;在有限行、列间距范围内,计算及试验流阻差及泵流量均随半球缺群行数、列数的增加而增加;在驱动电压及频率为120 V、6 Hz时,半球缺群3×4、4×3、4×4行列分别获得45.5 m L/min、46.2 m L/min、47.75 m L/min泵流量;理论与试验流量的最大偏差为23.23%。研究表明,半球缺群的流阻作用规律可以用来分析及预测泵流量;增加行数及列数并适当控制行、列间距均能提高泵流量,且增加行数比增加列数能获得更好的输出效果。     

涡致振动型风力压电俘能器流场数值模拟与试验

基于涡致振动原理设计了一种风力型压电俘能器,通过串列配置的双绕流圆柱增加进气道内流场的压强波动,以Helmholtz共振腔作为尾流区域的风压谐振放大装置,利用PVDF压电薄膜直接将湍流引起的持续性压强波动转换为电能。采用计算流体力学数值方法,分析了在不同风速下压电俘能器内部流场的流体动力学行为。数值分析及试验结果表明:在相同风速下,当耦合因子L/D=2.2时,双绕流圆柱引起的压强波动最大,可达到单绕流圆柱的2倍;Helmholtz共振腔内气体在振荡流的作用下产生谐振后,腔内气体压强的幅值随风速的增加而增大,但振动频率均相同且为共振腔的固有频率。