扁锥腔无阀压电泵理论与实验研究

论文摘要

压电泵是近年发展起来的一种新型流体输送装置,由于具有流量精度高、控制性好、结构简单、体积小、成本低等优点,在医疗制药、生物工程、化学分析、仪器仪表等领域具有广阔的应用前景。现有压电泵主要有无阀型与有阀型两大类,其中无阀型压电泵依靠置于进出口的收缩管与扩张管的阻力差实现流体的单向流动。本文提出在压电泵内部设置扁锥形孔腔,通过压电振子与扁锥形孔腔对流体的共同作用实现流体的单向流动,是一种新型无阀压电泵（以下简称扁锥腔无阀压电泵）。本文阐述、分析了这种压电泵的工作原理、结构与基本理论问题,制造样机进行了试验。主要研究内容如下:首先分析了扁锥腔无阀压电泵的主要驱动元件-圆形复合压电振子的动力学状态,以多种支撑方式为边界条件,分析、推导了压电振子弹性曲面微分方程和振动方程,获得了结构与尺寸参数对压电振子性能的影响规律;而后通过实验测试了压电振子的变形状态,为合理设计压电泵结构与尺寸取得依据。基于扩张管/收缩管流体力学理论阐述了扁锥腔无阀压电泵结构构成方法与工作原理,分析了在压电振子与扁锥腔共同作用下流体的流动阻尼与受力状况,推导出了流量计算公式,解释了自吸性的成因与影响因素;在此基础上进一步利用Fluent分析软件对扁锥腔无阀压电泵的工作过程进行了模拟仿真分析,获得了扁锥腔锥角、腔高等结构参数对扁锥腔无阀压电泵输出性能的影响规律。设计、制作了多个锥角、腔高等结构参数的扁锥腔无阀压电泵样机,分别以纯净水、不同粘度的甘油水溶液为传送介质,测试了多个驱动电压与工作频率状态下的输出性能;试验数据与理论分析结果取得了较好的一致性。由此可以认为利用扁锥形孔腔构造无阀压电泵是可行的,它是无阀压电泵的一种新型构造方法。扁锥腔无阀压电泵为本文首先提出并进行了相关研究,目前国内外均未见有相同原理压电泵的研究报道,具有创新性。本文由国家高技术研究发展计划项目（863计划）《具有自检测功能的微型压电泵开发研究》（项目编号:2007AA04Z336）和国家自然基金项目《主动阀压电泵作用机理及关键技术研究》（项目编号:50575093）提供资助,是这两个项目研究内容的一部分。

论文目录

• 提要
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 压电泵研究现状与应用
• 1.2.1 压电泵种类和特点
• 1.2.2 压电泵国外研究现状
• 1.2.3 压电泵国内研究现状
• 1.2.4 压电泵的技术展望与应用前景
• 1.3 问题的提出与本文研究主要内容
• 第二章 压电振子工作特性分析
• 2.1 压电效应及压电材料
• 2.1.1 压电效应
• 2.1.2 压电材料
• 2.2 复合圆片型压电振子的振动分析
• 2.2.1 压电振子的振动模态
• 2.2.2 压电振子的支撑方式
• 2.2.3 圆形复合压电振子的弹性曲面微分方程
• 2.2.4 圆形复合压电振子的振动方程
• 2.3 压电振子的性能测试
• 2.3.1 实验设备
• 2.3.2 不同驱动电压波形对压电振子变形量影响
• 2.3.3 电压对压电振子变形量的影响
• 2.3.4 频率对压电振子变形量的影响
• 2.4 本章小结
• 第三章 扁锥腔无阀压电泵结构设计与研究
• 3.1 扁锥腔无阀压电泵结构设计
• 3.2 扁锥腔无阀压电泵工作机理
• 3.3 扁锥腔中流体的流动特性分析
• 3.3.1 扁锥腔中流体的层流与紊流
• 3.3.2 扁锥腔中流体的流动阻尼分析
• 3.4 扁锥腔无阀压电泵的流量分析
• 3.5 扁锥腔中流体的受力状态分析
• 3.6 扁锥腔无阀压电泵自吸性能分析
• 3.7 本章小结
• 第四章 扁锥腔无阀压电泵流体仿真分析
• 4.1 FLUENT软件
• 4.1.1 FLUENT工程应用背景
• 4.1.2 FLUENT软件组成
• 4.1.3 FLUENT软件求解问题的步骤
• 4.2 扁锥腔无阀压电泵三维计算模型建立
• 4.3 利用FLUENT 3D求解器进行求解
• 4.4 扁锥腔无阀压电泵仿真结果分析
• 4.4.1 小端与大端排水压电泵流体仿真结果分析
• 4.4.2 不同锥角泵腔内流体仿真结果分析
• 4.4.3 不同腔高泵腔内流体仿真结果分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 扁锥腔无阀压电泵实验研究
• 5.1 实验仪器及实验材料
• 5.2 小端与大端排水无阀压电泵输出性能对比实验
• 5.2.1 小端排水与大端排水无阀压电泵结构设计
• 5.2.2 小端排水与大端排水压电泵输出性能测试
• 5.3 泵腔锥角对无阀压电泵输出性能影响对比实验
• 5.3.1 不同锥角无阀压电泵结构设计
• 5.3.2 不同锥角无阀压电泵输出性能测试
• 5.4 泵腔高度对无阀压电泵输出特性的影响对比实验
• 5.5 高粘度扁锥腔无阀压电泵实验研究
• 5.5.1 实验流体的选择
• 5.5.2 90%甘油水溶液对扁锥腔压电泵性能测试
• 5.5.3 50%甘油水溶液对扁锥腔无阀压电泵性能测试
• 5.5.4 高粘度液体对扁锥腔无阀压电泵性能影响原因分析
• 5.6 泵腔中气泡产生原因分析
• 5.7 噪声产生原因分析
• 5.8 本章小结
• 第六章 结论
• 6.1 结论
• 6.2 创新点
• 参考文献
• 博士期间发表的学术论文
• 博士学位期间参加的科研项目与获得专利
• 中文摘要
• ABSTRACT
• 致谢