流阻差型无阀压电泵的原理与试验研究

发布时间：2018-10-24 22:06

【摘要】：流阻差型无阀压电泵因内部不含有活动部件阀体,也不含有机械结构之外的其他部件。故具有结构简单灵活、可靠性强、寿命长、噪音小、成本低等特点,近年得以快速的发展和进步,并在微小型精密流体传输及驱动系统中具有广阔的应用前景。目前研发的流阻差型无阀压电泵多以锥形流管和Tesla流管为主,一般只能作为传输流体。单一的结构形式和功能,使得应用领域受限,达到广泛的实用化、商品化具有一定的距离。为此,加强流阻差型无阀压电泵的研发力度,加速无阀压电泵的产业化发展,将会有力的促进我国生物技术、精细化工以及极大规模集成电路等相关高新技术产业的发展。本课题在国家自然科学基金面上项目(No.51075201)和国家自然科学基金重大研究计划项目(No.91223201)的资助下,以流阻差型无阀压电泵为研究对象,开展了新形式的流阻差型无阀压电泵的驱动机理、等效电路模型、性能仿真、泵性能试验等方面的研究。本论文提出了4种流阻差型无阀压电泵,以满足生物医学、精细化工和电子芯片散热等领域对流体传输系统集成化、多样化的需求,拓展无阀压电泵的应用领域,提高无阀压电泵的实用性。同时,通过对4种压电泵的研究,验证流阻差型无阀压电泵等效电路模型的可靠性和准确性,为该类型无阀压电泵的设计提供新的指导方法。本论文的主要研究内容和成果如下:1、提出了一种按照压电泵的结构形式和工作原理分类方法,对现有的压电泵进行了具体的分类;系统的分析了国内外无阀压电泵研究的历程及应用,并明确提出了本课题的流阻差型无阀压电泵的具体结构形式与应用目标。2、进行了压电泵能量传递分析,得出了各类压电泵所共同遵循的能量传递规律;由此,对压电陶瓷的各个性能指标及其诱发弹性体应变机制、流管流阻特性、流阻差型无阀压电泵的工作机理等关键问题进行了系统的总结;进而解释了压电振子的工作原理和流阻差型流管作为无活动部件阀体的形成机理,说明了流阻差型无阀压电泵的流动特性。3、建立了基于修正的流阻差型无阀压电泵动力学模型及利用相似系统原理中的类比分析方法,并考虑了流阻差型流管所引起的非线性流阻因素的流阻差型无阀压电泵的等效电路模型,更加直观系统地解释了结构参数对于泵流量的影响;同时,使流路参数与电路参数直接挂钩,可以增加直观性与对比性,减小分析难度,提高分析效率,为新型流阻差型无阀压电泵的设计提供了有效的分析方法。4、提出了一种变截面“Y”型结构的流阻差型流管,并以此流管为基础开发并设计了变截面“Y”型流管无阀压电泵;分析了变截面“Y”型流管无阀压电泵的工作原理,通过对流管和泵的流场分析,确定了流管的流阻差值对泵流量的影响关系式;将该泵的流量试验结果与等效电路模型计算结果进行了对比,验证了流阻差型无阀压电泵等效电路模型的有效性与可靠性,进而为这一类无阀压电泵的设计提供了简便的方法。5、提出了“Y”型拓扑结构流管,并以此流管为基础开发并设计了两种“Y”型多级分叉流管无阀压电泵;分析了流管与泵的工作原理,为功能多样化流阻差型无阀压电泵的设计提供了新思路;同时,这种思路可推广运用到其他类型的压电泵;利用该两种泵的试验结果,进一步对流阻差型无阀压电泵等效电路模型的可靠性进行了验证,为模型的完善提出了应采取的措施。6、确定了“Y”型拓扑结构流管具有分形特性,并建立了泵流量与流管直径分布分形维数间的变化关系;通过对流管及泵的流场模拟分析及实验研究,得到了流管结构与泵输出之间的变化规律,为该类流阻差型无阀压电泵在电子芯片散热领域的应用提供了重要理论支撑。本课题在国家自然科学基金面上项目(No.51075201)“感应流体在螺旋线内行进哥氏力变化的微陀螺原理及应用研究”和国家自然科学基金重大研究计划项目(No.91223201)“大行程纳米级精度多自由度运动系统的基础研究”的资助下完成。本人所呈交的学位论文,是在南京航空航天大学机械结构力学及控制国家重点实验室精密驱动国防重点实验室完成。
[Abstract]:......
【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】：2013
【分类号】：TH38

【参考文献】