基于附壁效应的无阀压电泵研究

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1、2014年11月农业机械学报第45卷第11期doi:10．6041/j．issn．1000-1298．2014．11．053*基于附壁效应的无阀压电泵研究11222杨嵩袁寿其何秀华蔡盛川韦丹丹(1．江苏大学流体机械工程技术研究中心，镇江212013;2．江苏大学能源与动力工程学院，镇江212013)摘要: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

2、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5kPa时，最优的参数选取范围为4≤L1/d≤5，0.75≤c2/c1≤0.

3、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%。关键词:无阀压电泵附壁效应数值模拟响应面中图分类号:TH38;TN384文献标识码:A文章编号:1000-1298(2014)11-0343-06以通过MEMS加工技术用硅、PMMA等材料制作，引言然后与泵盖键合或粘合。压电泵作为一种微流体系统的驱动元件，在微附壁射流元件结构如图1b所示，是由1个平面［1］［2］化学分析系统、微药物输送系统、便携燃料电锥管和2个分流直管组成的三通结构。泵

4、腔与平面［3］［4］池和仿生系统等领域有广泛的应用前景。无阀压电泵没有可动阀结构，具有结构简单、易［5］于加工和良好的通过能力等优点。最早提出的［6－7］无阀压电泵是扩散/收缩管无阀压电泵。这也是研究最为广泛的无阀压电泵类型。其他无阀压电［8］［9］［10］泵用流管有TESLA管、漩涡管、Y型管、三［11］通扩散/收缩管等。这些流管都是基于两个方向流动流阻不同的原理。然而由于这些流管两个方向流动流阻差异不大，造成这种类型的无阀压电泵流量较低。为了提高无阀压电泵的性能，提出一种基于附壁效应的无阀压电泵

5、。通过数值模拟方法及动网格技术研究微泵的内部流场和外特性，讨论结构参数对微泵性能的影响，并对结构参数进行响应面优化。1微泵结构与原理图1微泵及附壁射流元件结构示意图Fig．1Structureofmicropump无阀压电泵结构如图1a所示，由泵体、泵盖和(a)无阀压电泵(b)附壁射流元件压电振子组成。在泵体上加工有泵腔、附壁射流元1．泵盖2．进口3．出口4．进口腔5．出口腔6．附壁射流件、进(出)口腔;泵盖上加工有进(出)口。泵体可元件7．压电振子8．泵腔9．泵体收稿日期:2013-10-28修回

6、日期:2013-12-06*国家自然科学基金资助项目(51276082)和江苏高校优势学科建设工程资助项目作者简介:杨嵩，博士生，主要从事压电泵及其内部流动研究，E-mail:yangmiaohao@126．com通讯作者:何秀华，教授，主要从事流体机械内部流动研究，E-mail:xiuhua．he@ujs．edu．cn344农业机械学报2014年锥管连接的一侧为圆角过渡，另一侧为尖角连接。两个分流直管间存在一个圆弧凹劈。附壁射流元件的主要结构参数包括:平面锥管最小通道宽度d，圆角半径r，平面锥管长

7、度L1，平面锥管角度θ，分流直管宽度与一半平面锥管最大宽度的比值c2/c1(一半平面锥管最大宽度c1为tan(θ/2)+d/2)，圆弧凹劈圆心角γ，分流直管长度L2。附壁射流元件和进(出)口腔深度相同。微泵的一个工作周期包括排出过程和吸入过程。当压电振子向泵腔方向位移时，流体被排出泵腔并进入附壁射流元件，该过程为排出过程，其附壁射流元件内的流动如图2a所示。由于射流喷口处采用一侧圆角过渡另一侧尖角连接的不对称结构，造成两侧的压力差异，根据附壁响应原理，射流的方图2微泵运行原理图向在很短时间内发生偏转

8、并附在由圆角过渡的一侧Fig．2Principleofthemicropump壁面上，所以泵腔内排出的流体全部经该侧分流直(a)排出过程(b)吸入过程管流向出口，其流量为qc，e;而且由于射流在平面锥管内产生漩涡卷吸，一部分流体由进口被卷吸进锥2微泵的数值模拟管并流向出口，其流量为qin，e。所以排出过程中出2.1压电振子的模拟口流量为应用动网格模拟压电振子的振动，通过压电振qout，e=qc，e+qin，e(1)子振动模型设定动网格边界条件。压电泵通常使用当压电振子