半球缺阻流体无阀泵的特性研究

摘要

自压电材料的压电效应被发现以来,出现了各式各样的新型压电器件,其中压电泵作为流体传输装置,凭借其所拥有的诸多优点被广泛应用于航空航天、医疗器械、微纳制造等领域。无阀压电泵作为压电泵一个重要分支,与有阀压电泵的区别于:采用特殊结构的无移动部件阀使流体产生动态单向流;从理论上避免了活动阀体开启而带来的阀的滞后性问题。但是当前无阀压电泵多以泵腔两侧特殊结构的流管作为无运动部件阀,该种结构的泵不易于微小化及泵工作时输出流量小。
　　半球缺阻流体无阀压电泵是针对当前无阀泵所存在的问题而提出的一种新型无阀压电泵,该特征的泵将无运动部件阀置于腔体内部,利用流体流经其半球缺1/4球面和1/2圆面两迎流面时所受阻力不等的原理,迫使流体在泵腔内产生单向流动,从而实现泵送流体的功能。本文首先对半球缺无阀压电泵进行了理论分析,同时采用有限元软件对半球缺阻流体无阀压电泵内部流场进行建模模拟分析。仿真结果表明:该泵存在正反向流阻不等特性,半球缺阻流体可以作为泵的无运动部件阀。最后实际制作了半球缺无阀压电样泵和多组半径不等的半球缺,并进行了泵的流阻、压力差及流量实验。实验结果表明:该种泵存在正反向流阻差不等的特性;在相同的工作条件下,随着半球缺半径的减小泵单位时间内的输出流量呈增大趋势,在驱动电压为150 V,频率为17 Hz,半球缺半径为4.0 mm时,泵的最大输出流量达到121.4 ml/min;同时,随半球缺阻流体的半径增大,泵的零流量下的输出压力差值减小。

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注释表

第一章 绪 论

1.1 引言

1.2 压电泵的分类及国、内外发展状况

1.3 课题研究意义及研究内容

第二章 压电驱动理论及压电振子特性分析

2.1 压电效应与压电陶瓷

2.2 压电方程

2.3 压电振子的分析

2.4 本章小结

第三章 半球缺阻流体无阀压电泵的提出及原理分析

3.1 流体的基本特性

3.2 半球缺阻流体的提出

3.3 半球缺阻流体无阀压电泵原理分析

3.4 泵流量的理论计算

3.5 本章小节

第四章 半球缺阻流体无阀压电泵的模拟仿真

4.1 流体流动时的控制方程

4.2 压电振子的模拟仿真

4.3 泵内流场仿真分析

4.4 本章小节

第五章 半球缺阻流体无阀压电泵的实验研究

5.1 半球缺阻流体无阀压电泵的加工

5.2 压电泵的工作性能实验

5.2 流量实验

5.3 零流量下压力差试验

5.4 本章小结

第六章 全文总结及展望

6.1 本文的主要工作

6.2 研究展望

参考文献

致谢

学期间的研究成果及发表的学术论文