基于非对称导流结构的双出口无阀压电泵机理与试验研究

发布时间：2020-10-19 09:09

　　 无阀压电泵因结构简单、无机构磨损、泵送精度高以及无电磁干扰等特点,在燃料进给、生物医学、MEMS等技术领域具有较高的应用前景。然而,无阀压电泵在工作吸水时存在严重的回流现象,极大削弱了泵送流量水平,使其应用维度受限。因此,本文提出设计一种通过削弱回流液体能量来抑制无阀压电泵回流现象,从而实现较高流量输出的新式无阀压电泵。通过对无阀压电泵研究背景及现状的分析,发现对开发高流量无阀泵的研究重点多落于提升结构对流体的流阻能力上,少有着手解决回流问题。本文从压电泵相关基本理论着手,研究了压电泵用驱动元件的振动模态与谐振特性,推导了由压电振子引起的压电泵泵腔容积变化量的理论公式;提出通过削弱回流液体能量的方式,来实现对无阀压电泵回流现象的抑制,并基于流体力学和能量守恒定律验证了该方案的可行性。提出了实现对回流液体能量削弱的非对称导流体与双出口结构,并对其正向泵送流体和反向抑制回流的作用原理进行了阐述。遵循所提出的抑制回流方案,设计了基于非对称导流结构的双出口无阀压电泵的整体结构。分析研究了影响该泵输出性能的重要结构参数管距和尾距,并结合流体公式推导了该参数与回流液体能量之间的关系。通过仿真对新结构中的关键部件和流场环境作了模拟与分析,验证了设计的有效性,并结合理论推测了结构重要参数的选取范围。研制了多组参数范围内的试验样机,并搭建了测试平台对样机的输出流量进行测试。结果表明,不同参数的试验样机在输出流量上,呈现出随着回流液体能量变化而变化的趋势;在管距和尾距分别为8.2 mm和2.0 mm,也就是结构对回流液体能量削弱最大时,样机泵的输出流量能达到最大的167.8 mL/min,符合此参数下能量削弱最大的仿真预期。对比分析了不同结构类型无阀压电泵的输出流量水平,发现本文所提出的基于非对称导流结构的双出口无阀压电泵无论在输出总量上,还是单位驱动面积的输出上都具有优势,证明了本研究所提出的通过削弱回流液体能量来抑制无阀压电泵回流的方法是有效的,由此设计的带导流体的双出口无阀压电泵具有较高的流量输出水平。文中所作出的理论和仿真等相关研究工作可为此类无阀压电泵参数的设计提供参考。
【学位单位】：长春工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TH38
【部分图文】：

项目“基于虚拟现实技术的复杂机电系统故障预报与最优维护研究”（项目编号：61374138）的资助下完成。1.2 论文研究背景及意义由于现代科技的需要，应用于流体传输设备的发展趋向于微型化，尤其在生物医疗、植物培育、燃料供给、小型设备水冷和微机电系统（MEMS）等方面对流体输送装置提出了更高的要求。得益于机械、材料等学科的进步，学者们相继提出了有别于传统电磁驱动结构的记忆合金驱动泵、热驱动泵、静电作动泵、压电驱动泵等各类微型泵。其中，以高能量密度的压电智能材料作为动力源的压电泵，因具有可控性高、响应速度快、不受电磁干扰等优点而备受学者们关注。同时，压电泵以压电驱动技术为基础，所设计的压电致动模块既是动力源又可作为泵体本身，结构整体集成微型化潜力很高，结合压电材料本身优秀的散热和较高的机电耦合系数，使压电泵一经出现便成为了微泵领域的代表性驱动器之一，并被成功应用于航空航天、芯片冷却、燃料供给、生物医疗等设备中。

使得流体被输送出去的压电泵被称作压电容积泵（如图1.2a）[4]；利用压电振子高频运动产生的超生波，直接将流体泵出的压电泵被称为压电超生泵（如图 1.2b）[5]。图 1.2 两类不同的压电泵结构图在多层次的拓展和应用下，压电容积泵一经诞生就成为领域内的研究热点，它由

第 1 章 绪 论驱动件、阀体、腔体等组成。根据驱动件的不同，可分为压电振子型压电堆型压电泵，而在采用压电振子驱动的压电泵中又有压电单晶片压电泵和压电泵；根据腔体型式的差异，压电容积泵里又有单腔压电泵和多腔压电压电泵中又有串联多腔压电泵和并联多腔压电泵等类别。此外，根据阀体，压电容积泵也可分为有阀压电泵和无阀压电泵，在有阀压电泵中又存在泵和被动阀压电泵两大阀体结构的压电泵型式；而在无阀压电泵中，根据结构的不同，可分为外置流管结构的无阀压电泵和内置几何体结构的无
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本文编号：2847014