基于附壁效應(yīng)的無閥壓電泵研究

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1、2014年11月農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報第45卷第11期doi:10．6041/j．issn．1000-1298．2014．11．053*基于附壁效應(yīng)的無閥壓電泵研究11222楊嵩袁壽其何秀華蔡盛川韋丹丹(1．江蘇大學(xué)流體機(jī)械工程技術(shù)研究中心，鎮(zhèn)江212013;2．江蘇大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，鎮(zhèn)江212013)摘要:提出一種基于附壁效應(yīng)的無閥壓電泵，該泵利用附壁射流元件造成吸入過程和排出過程中進(jìn)出口的流量差，實現(xiàn)流體輸送。首先通過動網(wǎng)格技術(shù)及數(shù)值模擬研究微泵的內(nèi)部流場和外特性，結(jié)果表明該無閥壓電泵的容積效率η可

2、以達(dá)到0.5以上，高于傳統(tǒng)擴(kuò)散/收縮管無閥壓電泵。然后討論了平面錐管長度和兩分流直管間凹劈面寬度對微泵性能的影響，平面錐管長度L1必須大于dcot(θ/2)，當(dāng)c2/c1=1時L1/d=9的微泵在零輸出壓力下流量最大;不同輸出壓力和c2/c1的微泵流量對比表明凹劈面寬度越寬微泵輸出壓力性能越佳，但是在低輸出壓力下微泵隨著凹劈面寬度的增加其容積效率降低。最后應(yīng)用響應(yīng)面方法對平面錐管長度和凹劈面寬度進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果表明當(dāng)輸出壓力為5kPa時，最優(yōu)的參數(shù)選取范圍為4≤L1/d≤5，0.75≤c2/c1≤0.

3、85，當(dāng)L1/d=4.3，c2/c1=0.80時η達(dá)到最大，為0.323。其數(shù)值模擬為0.317，相差1.89%。關(guān)鍵詞:無閥壓電泵附壁效應(yīng)數(shù)值模擬響應(yīng)面中圖分類號:TH38;TN384文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1000-1298(2014)11-0343-06以通過MEMS加工技術(shù)用硅、PMMA等材料制作，引言然后與泵蓋鍵合或粘合。壓電泵作為一種微流體系統(tǒng)的驅(qū)動元件，在微附壁射流元件結(jié)構(gòu)如圖1b所示，是由1個平面［1］［2］化學(xué)分析系統(tǒng)、微藥物輸送系統(tǒng)、便攜燃料電錐管和2個分流直管組成的三通結(jié)構(gòu)。泵

4、腔與平面［3］［4］池和仿生系統(tǒng)等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。無閥壓電泵沒有可動閥結(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)簡單、易［5］于加工和良好的通過能力等優(yōu)點(diǎn)。最早提出的［6－7］無閥壓電泵是擴(kuò)散/收縮管無閥壓電泵。這也是研究最為廣泛的無閥壓電泵類型。其他無閥壓電［8］［9］［10］泵用流管有TESLA管、漩渦管、Y型管、三［11］通擴(kuò)散/收縮管等。這些流管都是基于兩個方向流動流阻不同的原理。然而由于這些流管兩個方向流動流阻差異不大，造成這種類型的無閥壓電泵流量較低。為了提高無閥壓電泵的性能，提出一種基于附壁效應(yīng)的無閥壓電泵

5、。通過數(shù)值模擬方法及動網(wǎng)格技術(shù)研究微泵的內(nèi)部流場和外特性，討論結(jié)構(gòu)參數(shù)對微泵性能的影響，并對結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化。1微泵結(jié)構(gòu)與原理圖1微泵及附壁射流元件結(jié)構(gòu)示意圖Fig．1Structureofmicropump無閥壓電泵結(jié)構(gòu)如圖1a所示，由泵體、泵蓋和(a)無閥壓電泵(b)附壁射流元件壓電振子組成。在泵體上加工有泵腔、附壁射流元1．泵蓋2．進(jìn)口3．出口4．進(jìn)口腔5．出口腔6．附壁射流件、進(jìn)(出)口腔;泵蓋上加工有進(jìn)(出)口。泵體可元件7．壓電振子8．泵腔9．泵體收稿日期:2013-10-28修回

6、日期:2013-12-06*國家自然科學(xué)基金資助項目(51276082)和江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程資助項目作者簡介:楊嵩，博士生，主要從事壓電泵及其內(nèi)部流動研究，E-mail:yangmiaohao@126．com通訊作者:何秀華，教授，主要從事流體機(jī)械內(nèi)部流動研究，E-mail:xiuhua．he@ujs．edu．cn344農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報2014年錐管連接的一側(cè)為圓角過渡，另一側(cè)為尖角連接。兩個分流直管間存在一個圓弧凹劈。附壁射流元件的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)包括:平面錐管最小通道寬度d，圓角半徑r，平面錐管長

7、度L1，平面錐管角度θ，分流直管寬度與一半平面錐管最大寬度的比值c2/c1(一半平面錐管最大寬度c1為tan(θ/2)+d/2)，圓弧凹劈圓心角γ，分流直管長度L2。附壁射流元件和進(jìn)(出)口腔深度相同。微泵的一個工作周期包括排出過程和吸入過程。當(dāng)壓電振子向泵腔方向位移時，流體被排出泵腔并進(jìn)入附壁射流元件，該過程為排出過程，其附壁射流元件內(nèi)的流動如圖2a所示。由于射流噴口處采用一側(cè)圓角過渡另一側(cè)尖角連接的不對稱結(jié)構(gòu)，造成兩側(cè)的壓力差異，根據(jù)附壁響應(yīng)原理，射流的方圖2微泵運(yùn)行原理圖向在很短時間內(nèi)發(fā)生偏轉(zhuǎn)

8、并附在由圓角過渡的一側(cè)Fig．2Principleofthemicropump壁面上，所以泵腔內(nèi)排出的流體全部經(jīng)該側(cè)分流直(a)排出過程(b)吸入過程管流向出口，其流量為qc，e;而且由于射流在平面錐管內(nèi)產(chǎn)生漩渦卷吸，一部分流體由進(jìn)口被卷吸進(jìn)錐2微泵的數(shù)值模擬管并流向出口，其流量為qin，e。所以排出過程中出2.1壓電振子的模擬口流量為應(yīng)用動網(wǎng)格模擬壓電振子的振動，通過壓電振qout，e=qc，e+qin，e(1)子振動模型設(shè)定動網(wǎng)格邊界條件。壓電泵通常使用當(dāng)壓電振子