半圓柱阻流體錐形腔無閥壓電泵

嚴天祥, 龍志文, 李成其, 陳虎城, 秦建華

(1. 桂林理工大學 機械與控制工程學院高校先進制造與自動化技術重點實驗室,廣西 桂林 541006;2. 桂林電子科技大學 機電工程學院,廣西 桂林 541004)

0 引言

壓電泵是一種利用壓電材料的逆壓電效應將電能轉換成機械能的新型流體驅動器[1-3],其具有體積小,結構簡單,低噪音和抗電磁干擾等優點[4-6],在藥物輸送[7]、電子散熱[8]、化學分析[9]等領域應用廣泛。壓電泵根據閥體結構可分為有閥壓電泵和無閥壓電泵[7-9]。有閥壓電泵是利用閥體運動來控制流體的流動方向,易造成閥體的疲勞磨損。無閥壓電泵是利用無移動部件閥體的流阻不等性來實現流體的驅動,避免了閥體的疲勞磨損[10-20]。

文獻[10]基于流體正、反向阻力差原理首次研發了錐形管無閥壓電泵,此后眾多學者對無閥壓電泵進行了研究,開發了多種結構無閥壓電泵[11-16],主要包括管道外置無閥壓電泵[10-13]和管道內置無閥壓電泵[14-18]。與管道外置無閥壓電泵相比,管道內置無閥壓電泵能夠充分利用泵腔內部空間,易實現泵體積的小型化。半球缺阻流體無閥壓電泵是一種流體輸送性能良好的管道內置型無閥壓電泵[17],但其泵腔內半球缺阻流體為復雜的三維結構,不利于泵的微型化加工。為提高其工藝性,文獻[18]提出了半圓柱阻流體無閥壓電泵(半圓柱泵),該泵為結構簡單的平面結構,易于微型化加工,但輸出流量一般,受限于限大流量場合應用。

為提升半圓柱泵的流量,結合錐形腔的流阻不等特性,本文提出了一種工藝性良好的半圓柱阻流體錐形腔無閥壓電泵(半圓柱錐形腔泵),介紹了該泵的結構及工作原理,建立了其流量的理論公式。數值模擬了該泵的泵腔流速分布,對比分析了其與半圓柱泵的阻力特性。試驗比較了兩種泵的流量和壓力差特性。研究結果證明了半圓柱錐形腔泵的流體輸送能力較半圓柱泵有所提高。

1 泵的結構及工作原理

圖1為半圓柱錐形腔泵的結構示意圖。壓電振子為動力源,其固定在橡膠墊圈和泵蓋之間。泵腔為錐形腔,其內部放有同向等距排列的4個相同半圓柱體,錐形腔和半圓柱體用于產生正、反向阻力差。本研究定義流體阻力小的方向(管道A至管道B)為正向流動,反之則為反向流動。

圖1 半圓柱錐形腔泵的結構示意圖

圖2為半圓柱錐形腔泵的工作原理圖。由圖2(a)可知,壓電振子向上振動使泵腔壓強降低,流體從兩側管道流入泵腔。由圖2(b)可看出,壓電振子向下振動使泵腔壓強增大,流體從兩側管道流出泵腔。由于半圓柱面的流體阻力小于矩形面的流體阻力,且擴張腔的流體阻力小于收縮腔的流體阻力,故在流入階段管道A流入流體較多,而在流出階段管道B流出流體較多,于是半圓柱錐形腔泵實現了從管道A向管道B的單向輸送。

圖2 半圓柱錐形腔泵的工作原理圖

2 理論分析

由文獻[19]可知,壓電振子從平衡位置振動到最高位置的泵腔容積最大變化量為

πw0R2/2

(1)

式中:w0為壓電振子的振動位移;r為壓電振子上某一點到其中心的距離;R為壓電振子的半徑。

正、反向流時,流體的壓力損失[20]分別為

(2)

(3)

式中:Δpz為正向流的流體壓力損失;Kz為正向流的流體阻力因數;vz為正向流的流體平均速度;ρ為粘性流體的密度;Δpf為反向流的流體壓力損失;Kf為反向流的流體阻力因數;vf為反向流的流體平均速度。

(4)

(5)

正、反向流的流量分別為

Qz=Svz

(6)

Qf=Svf

(7)

式中S為管道橫截面面積。

當壓電振子振動到最高位置時,有:

(8)

根據式(1)、(8)可得

(9)

壓電振子從最高位置振動到平衡位置時,流體從兩側管道流出,其流量為

(10)

在一個工作周期T內,泵有2次從泵腔排出流體,則其單位時間的流量為

Q=2fQT/2=πw0R2f(K-1)/(K+1)

(11)

由式(11)可知,當Kf>Kz,即流體的反向阻力大于其正向阻力時,可得K>1,Q>0,半圓柱錐形泵腔就能單向輸送流體;同時,阻力因數比越大,泵的流量越高。

3 數值模擬

3.1 流速分布

圖3為半圓柱錐形腔泵的泵腔結構。圖中,錐形腔的直徑d3=?30 mm,高度H=4 mm,錐角θ=5°;半圓柱的直徑d2=?3.5 mm,高度h=3.8 mm,半圓柱間的距離l1=6.8 mm,錐形腔中距l2=6 mm,兩端管道直徑d1=?3 mm。

圖3 半圓柱錐形腔泵的泵腔結構

使用Creo軟件建立半圓柱錐形腔泵的泵腔流體域模型,使用ANSYS軟件對其進行四面體網格劃分(見圖4(a))和數值模擬,選用標準k-ε湍流模型,流體介質為水,其密度和運動粘度分別為998.2 kg/m3和1.01×10-3Pa·s,進出口設為壓力邊界條件,設入、出口壓力分別為1.6 kPa和0。圖4(b)為壓力差1.6 kPa下半圓柱錐形腔泵正向流量與網格數量的關系。由圖4(b)可知,從網格數量1.95×104開始,半圓柱錐形腔泵的正向流量波動小。由于網格數量越高,模擬值與實際值的差值越小,因此將半圓柱錐形腔泵的網格數量設為12.36×104。

圖4 半圓柱錐形腔泵的網格模型及其無關性分析

圖5為壓力差1.6 kPa下正、反向流時半圓柱錐形腔泵的泵腔中間等高面的速度分布圖。由圖可知,正向流時最大速度(1.3 m/s)高于反向流最大速度(1.2 m/s),由于模擬時正、反向流的進出口壓力差相等,由式(2)、(3)可得,半圓柱錐形腔泵的正向阻力因數小于反向阻力因數,表明該泵可以實現流體的單向輸送。

圖5 半圓柱錐形腔泵的速度分布圖

3.2 阻力特性

圖6 半圓柱泵的網格模型及其無關性分析

圖7為不同壓力差下半圓柱泵和半圓柱錐形腔泵的正、反向流量和阻力因數比。由圖7(a)可知,相同壓力差下,兩種泵的正向流量大于反向流量,表明兩者均具有流阻不等特性;與半圓柱泵相比,半圓柱錐形腔泵的正向流量基本一致,而反向流量大幅下降。由圖7(b)可知,隨著壓力差增大,兩種泵的阻力因數比基本保持不變,半圓柱泵和半圓柱錐形腔泵的阻力因數比平均值分別為1.18和1.24,表明半圓柱錐形腔泵的輸送能力優于半圓柱泵。

圖7 不同壓力差下泵正、反向流量和阻力因素比

4 試驗研究

4.1 試驗裝置

為比較半圓柱錐形腔泵和半圓柱泵的輸出性能,對其進行流量和壓力差試驗。圖8為兩種泵的泵體和樣機。圖8(a)中,泵體由Anycubic Photon Mono 4K光固化3D打印機加工,其幾何尺寸與仿真參數一致,打印材料為樹脂,打印精度為0.05 mm。圖8(b)中,壓電振子由銅基板和壓電陶瓷片組成,其中銅基板的直徑為?35.0 mm。

圖8 半圓柱錐形腔泵和半圓柱泵的泵體和樣機

圖9(a)為流量試驗裝置,包括信號發生器、功率放大器、夾具、壓電泵、燒杯和電子秤(精度0.01 g)等。工作流體為水,在驅動電壓220 V下改變驅動頻率測量壓電泵每分鐘的流量。將流量試驗裝置的出口管更換為豎直朝上的透明亞克力管,可得壓力差試驗裝置如圖9(b)所示。設驅動電壓為220 V,測量不同驅動頻率下亞克力管的液面高度差H,并根據壓強p=ρgH(其中,ρ為液體密度,g=9.8 m/s2)計算壓力差。

圖9 流量和壓力差試驗裝置

4.2 試驗對比

圖10為半圓柱錐形腔泵和半圓柱泵的流量、壓力差與驅動頻率的關系。由圖10(a)可知,9 Hz時, 半圓柱泵的最高流量為12.28 g/min。12 Hz時,半圓柱錐形腔泵的最高流量為30.96 g/min。由圖10(b)可知,18 Hz時,半圓柱泵的最高壓力差為170 Pa。14 Hz時,半圓柱錐形腔泵的最高壓差為394 Pa。

圖10 流量、壓力差與驅動頻率的關系

5 結論

1) 基于半圓柱泵的結構形式和錐形腔泵的流阻不等特性,提出了一種易于微型化加工的半圓柱錐形腔泵。流量的理論分析表明,阻力因數比越大,泵的流量越高。

2) 半圓柱錐形腔泵的正向阻力因數小于反向阻力因數,驗證了該泵的可行性。半圓柱泵和半圓柱錐形腔泵的阻力因數比平均值分別為1.18和1.24,表明半圓柱錐形腔泵的流體輸送能力優于半圓柱泵。

3) 當驅動電壓為220 V時,半圓柱錐形腔泵的最高流量和壓力差分別為30.96 g/min和394 Pa,與半圓柱泵相比,其最高流量和壓力差均有提高。