半球缺阻流体无阀压电泵的研究

发布时间：2018-10-24 11:44

【摘要】：无阀压电泵是以压电陶瓷为动力源件的小型与微型流体泵,具有耗能低、流量可控性好、无噪声及电磁干扰、响应速度快、易于集成制造、可控制微小流量输出等优点,实现了驱动源部分、传动部分及泵体的高度集成,提高效率的同时降低了运动构件的磨损,在航空航天器、机器人、汽车、医疗器械、生物基因工程、化学(燃料供给)、电子器件水冷及微机械等方面具有广阔的应用前景。由于,现有无阀压电泵中无移动部件阀多为管道阀类和腔底阀类,管道或腔底的结构复杂、制造工艺繁复,同时与出、入口管道位置固定的“阀”相比,泵流量可调、可控性较差。针对上述研究情况,在国家自然科学基金的资助下,本课题开展了新型无阀压电泵的探索性研究,主要工作如下:1.利用流体绕流球面和圆面时所受阻力不同的原理,提出并设计了一种以半球缺作为无移动部件阀的无阀压电泵。通过自行确立的体积、动量比较法进行了泵腔内半球缺的受力分析,推导出了泵流量公式,揭示了泵能够产生单向流动的机理;制作了原理样机并进行了性能测试,陶瓷片直径为30mm,泵腔内均布6个半球缺。在工作介质为纯净水条件下,当驱动电压及频率为110V、6 Hz时,泵流量达到0.50 m L/s;当驱动电压及频率为160V、6 Hz时,压差达到26.2mm水柱。2.基于传统的绕流非球形体的阻力系数计算方法不能同时解决正、反向绕流半球缺的流阻问题,提出了“等效流阻直径”方法。在分离与计算出半球缺的球面及圆面所对应的等效圆球直径基础上,设计了测试流阻试验装置,获得了正、反向绕流单个半球缺的阻力系数公式并进行了泵流量的试验验证,泵理论流量与试验流量的变化趋势一致,其最小偏差为24.75%,最大偏差为31.15%。3.推导了绕流两个纵向、横向排列半球缺的遮流系数、干扰系数及流阻系数的计算公式,建立了任意多个纵向、横向排列半球缺的流阻系数理论体系。泵流量测试表明,在一定的间距范围内,泵流量随着纵、横向半球缺个数的增加而增加。4.推导出了迎流角为零及非零状态下表征半球缺群流阻作用规律流阻系数计算公式。测试了半球缺群行数、列数、行列间距及迎流角对泵送性能的影响,在驱动电压及频率为120V、6Hz时,零迎流角下,半球缺群1×1、4×3、3×4、4×4分别获得41.35 m L/min、46.2m L/min、45.5m L/min及47.75m L/min的泵流量;同样驱动条件下,扬程角为110°时,随着迎流角θy由0°增加至45°,扬程值增加至78.1mm;继续增加θy至60°过程中,扬程值较45°时减小、较0°时增加;当θy增至90°时,泵扬程趋于理论零值。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、列数或适当增加列间距、缩小行间距均能提升泵送性能,且增加行数比增加列数能获得更好的输出效果;迎流角θy≤45°时,泵流量随着迎流角的增加呈正相关性增加,并在θy≈45°时首次达到最佳泵送状态。半球缺具有很好的正、反向流动阻力不等特性,作为无移动部件阀置于泵腔中,即省去了泵腔外部的复杂管路结构,也使泵腔内部工艺简单,结构紧凑,同时扩大了流量范围,泵的可调可控性好。本课题得到了国家自然科学基金面上项目(编号:51205193、51375227)、国家自然科学基金重大研究计划项目(No.91223201)及院士工作站BM2011033的资助。
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【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TH38

【参考文献】