基于气动微流控芯片的新型智能痕量灌溉系统动态流量特性研究

(1. 郑州轻工业学院 机电工程学院， 河南 郑州 450002； 2. 江苏大学 仪器科学与工程系， 江苏 镇江 212013；3. 哈尔滨工业大学 机电工程学院， 黑龙江 哈尔滨 150001)

引言

目前，我国用水问题形势严峻，一方面是水资源短缺，另一方面是节水技术相对落后导致水资源利用率较低。据统计，中国农业灌溉水资源利用率低于50%，发达国家也不高于65%[1-2]。如何合理利用水资源、科学节水成为我国水资源保护的重点问题，同时也是提高世界农业现代化程度的关键因素。

痕量灌溉技术是将毛细管及膜等材料组合应用到实际项目的科学节水灌溉技术，其核心是一个能够让作物“自主吸水”的灌水器，具有双层痕灌膜和毛细管束，保证了装置的导水性能和过滤能力，该技术采用的双层膜结构克服了滴头易堵的难题并成功取代了滴灌技术采用的迷宫式消能流道[3-4]。痕量灌溉的灌溉器埋在作物的根部周围，毛细管束一端连接充水管，另一端连接土壤毛细管，这样既缩短了给水距离，减少不必要的浪费，又可以感知土壤水分变化，继而组成了作物—土壤—灌溉系统巧妙的水势平衡系统。当根部周围的水势降低时，发生器中的水将以毛细水(10～200 mL/h)的形式运输到作物根部周围的土壤，当水势平衡时，作物不再吸水，痕量灌溉系统也停止供水[5-7]。与滴灌相比，痕量灌溉可以在相同产量下节约40%～60%的用水量，并有助于改善土壤板结和返碱的现象[8-10]。

针对痕量灌溉系统，研究人员开展了理论和实验研究。痕量灌溉技术解决了常规滴灌技术中出现的堵塞问题，并利用土粒中范德华力为水分运动提供了动力[11-13]。为了提高水分利用率，研究人员从不同角度进行了理论分析、仿真计算和实验研究，包括土粒间隙渗水特性、痕量灌溉控水头灌膜材料特性等对作物根部水分吸收率之间动态机理特性等[14-15]。

本研究提出了一种基于气动微流控芯片的智能痕量灌溉系统。由于微流控技术可实现对微量流体进行操作处理，具有高传热传质效率和低物质消耗特点[16]。该系统可用于对名贵盆载、种子培育等所需营养液、水的精确灌溉和农药精细喷洒等，通过无线通信模块，将数据传递到各个终端，可人为根据名贵盆栽、种子缺水情况，进行实时、定量、精确浇水。利用气动微流控芯片片上膜阀作为控水元件，给出了液体微小流量控制系统的结构设计和工作原理，并对单个片上膜阀的出口流量、压力分布和不同片上膜阀组合时的出口流量进行仿真研究，并进行了部分内容的实验验证，实验数据与仿真结果呈现很好的一致性。

1 智能痕量灌溉系统结构和工作原理

智能痕量灌溉系统结构框图如图1所示，包括单片机控制模块STM32、土壤湿度传感器模块、无线通信模块、移动设备、名贵盆栽/种子培育系统和气动微流控芯片。气动微流控芯片上集成有不同结构形式的片上膜阀和微型流量传感器。土壤湿度传感器对植物根部附近的土壤湿度进行实时监控，并反馈给单片机，单片机对反馈数据进行实时分析，并对气动微流控芯片做出控制，避免浇水过多。单片机控制模块可以实时通过无线通讯模块把数据传递给手机等移动设备，可人为控制浇水情况。

图1 智能痕量灌溉系统结构框图

智能痕量灌溉系统中微小流量控制框图如图2所示，包括电磁微阀、片上膜阀、微控制器STM32单片机和微型流量传感器。片上膜阀位于气动微流控芯片上， 通过STM32单片机对电磁微阀进行逻辑控制， 实现对片上膜阀气体驱动腔内的压力控制， 从而控制片上膜阀的工作状态，实现片上膜阀液体微流道内液体流量的连续可调[17-19]。其中，电磁微阀位于气动微流控芯片外部，不影响气动微流控芯片本身的大规模集成[20-22]。

图2 痕量灌溉系统微小流量控制框图

2 片上膜阀结构设计和工作原理

片上膜阀结构如图3a所示，上层是液体微流道，下层是气动微驱动器。气动微驱动器是由位于液体微流道下方的聚二甲基硅氧烷(PDMS)驱动薄膜和与气体微流道相连的气体驱动腔构成，立体图如图3b所示。

图3 片上膜阀结构示意图

弹性PDMS驱动薄膜的形变程度决定着片上膜阀的阀口开度，从而影响片上膜阀的出口流量，如图4所示为不同阀口开度的片上膜阀。气源和片上膜阀气体驱动腔接通，气源给微流控芯片上的气体驱动腔充气，弹性PDMS驱动薄膜在气体驱动腔内气体压力作用下，向液体微流道的方向产生形变，形变后的阀口截面类似拱形，阀口开度的大小取决于气体驱动腔内气体驱动压力高低。当气体驱动腔内的压力增加时，弹性PDMS薄膜的形变增大，片上膜阀的阀口开度则变小；当气体驱动腔内压力逐渐减小时，弹性PDMS薄膜的形变恢复，片上膜阀阀口开度则逐渐增大[23-24]。

图4 不同阀口开度的片上膜阀

3 模型的建立和边界条件的确定

本研究设计的片上膜阀具有液体微流道上层尺寸为600 μm×1000 μm×200 μm；具有气体微驱动器的下层尺寸为600 μm×1000 μm×150 μm；气体驱动腔尺寸为600 μm×400 μm×150 μm；液体微流道宽度为500 μm，最大弧高度为180 μm。

利用SOLIDWORKS建立物理模型，导入ANSYS有限元分析软件中进行网格划分。网格划分的质量决定了仿真结果的准确性。由于微阀入口处、出口处以及微阀阀芯下部变形区域上的速度流场和压力变化比较大，为了准确反映流场的变化情况，对这几个部分进行网格加密，其余部分网格相对稀疏。由于三角形网格具有更好的配合性，因此整个模型采用三角形网格进行划分， 如图5所示。

图5 片上膜阀物理模型网格划分

4 流场仿真结果分析

将划分好网格的片上膜阀物理模型导入Fluent流场分析软件中进行流场分析，由于微流道特征尺寸在几百微米级别，流速比较大，流体流动多处于湍流状态，因此选用Standardk-ε湍流模型，其中k是紊流脉动动能(J)，ε是紊流脉动动能的耗散率(%)，计算量和计算精度均适合本设计。为了提高数值模拟计算精度，选择增强壁面函数法(Enhanced Wall Treatment)进行参数设置。该函数不依赖壁面法则，适合本研究涉及的液体运动状态。

4.1 单个片上膜阀流量仿真

1) 不同气体驱动压力下流量仿真

液流驱动压力设置为10 kPa，气体驱动压力在0～20 kPa范围内逐渐增加时，得到片上膜阀出口截面压力和流速云图如图6所示。图6a中4幅图片分别代表了不同气体驱动压力时，阀口开度的变化情况以及膜阀出口压力的变化情况，流道中心区域压力较大，边缘区域压力较小。图6b中表示液体流速随气体驱动压力的变化情况。将流场软件分析得到的流速与阀口截面积相乘计算得到的流量数据利用最小二乘法曲线拟合中的二次多项式函数进行拟合，获得片上膜阀出口流量-气体驱动压力特性仿真结果如图7所示。本研究后续仿真曲线均采用该方法拟合获得。

图6 不同气体驱动压力下的片上膜阀出口截面压力和流速云图

图7 单个片上膜阀不同气体驱动压力时出口流量仿真结果

结合片上膜阀出口压力云图、出口速度云图和出口流量仿真结果可以看出，当液流驱动压力一定时，气体驱动腔的压力越大，阀口开度越小，出口压力越小，出口流速越慢，出口的流量也就越小，从而达到控制流量的目的。气体驱动压力和出口流量几乎成反比例关系。气体驱动压力为0，即片上膜阀完全打开时，出口流量为1198 μL/min。气体驱动压力为20 kPa时，出口流量为0，即片上膜阀处于完全关闭状态，阀口开度为0。

2) 不同液流驱动压力流量仿真

气体驱动腔的压力设置为0，即片上膜阀完全打开状态下，改变片上膜阀液流驱动压力，其他参数设置和4.1保持一致，片上膜阀液流驱动压力(Pressure-inlet)在0～20 kPa范围内逐渐增加。选取全开口时的片上膜阀进行分析，在不同液流驱动压力时出口时，得到的片上膜阀出口流量-液流驱动压力特性仿真结果如图8所示。

从图中可以看出，气体驱动压力为0，即片上膜阀完全打开状态下，阀口开度为100%时，液流驱动压力小于5 kPa时，流量增益较大，流量变化显著；随着液流驱动压力的增加，流量增益减小，对流量的调节作用降低。这主要是由于片上膜阀在液流驱动压力较小时对流量的调节作用比较大；随着液流驱动压力的增加，片上膜阀相对流阻减小，对流量的调节作用降低。

4.2 片上膜阀串联出口流量仿真

1) 不同气体驱动压力下流量仿真

利用SOLIDWORKS建立串联的3个片上膜阀在不同气动腔驱动压力下的物理模型，如图9所示，从其横截面可以看出4组片上膜阀阀口开度不同。液流驱动压力设置为10 kPa， 气体驱动压力在0～20 kPa范围内逐渐增加时，得到的片上膜阀出口流量-气体驱动压力特性仿真结果如图10所示。

图9 在不同气动腔压力下片上膜阀串联模型

图10 片上膜阀串联在不同气体驱动压力下出口流量

从图中可以看出，片上膜阀串联出口流量和气体驱动压力呈负相关关系。这是由于随着气体驱动压力的增加，串联的各阀口开度均逐渐减小。而且液体微流道内流阻随着各阀口开度的减小，流体粘性起主要作用，相当于流阻比较大，压差一定时，流量则较小。

2) 不同液流驱动压力流量仿真

气体驱动压力设置为0，在不同气体驱动压力情况下，气体驱动压力在0～20 kPa范围内逐渐增加时，得到的片上膜阀串联出口流量-液流驱动压力特性仿真结果如图11所示。

图11 片上膜阀串联在不同液流驱动压力下出口流量

从图中可以看出，片上膜阀串联出口流量与液流驱动压力几乎呈正比例关系。当液流驱动压力大于5 kPa 时，与单个片上膜阀出口流量与液流驱动压力特性(图8)几乎相同。当液流驱动压力小于5 kPa时，片上膜阀串联出口流量增益小于单个片上膜阀出口流量增益，流量变化不显著。这是由于，连接片上膜阀之间的液体微流道长度增加，由片上膜阀引起的相对流阻减少，对流量的调节作用降低。

4.3 片上膜阀并联出口流量仿真

1) 不同气体驱动压力下流量仿真

利用SOLIDWORKS建立3个片上膜阀并联在不同气动驱动压力下的物理模型，如图12所示，其横截面可以看出4组片上膜阀阀口开度不同。液流驱动压力设置为10 kPa，气体驱动压力在0～20 kPa范围内逐渐增加时，得到的片上膜阀并联出口流量-气体驱动压力特性仿真结果如图13所示。

图12 片上膜阀并联物理模型

图13 片上膜阀并联在不同气体驱动压力下的出口流量

从图中可以看出，当气体驱动压力小于15 kPa时，片上膜阀并联出口流量增益较大，流量变化显著，气体驱动压力有很小的改变时，流量就会有相应比例的改变，这使得流量有很高的分辨率。当气体驱动压力大于15 kPa时，随着气体驱动压力的增加，阀口开度减小，流量增益减小，对流量的调节作用降低。

2) 不同液流驱动压力流量仿真

气体驱动压力设置为0，液流驱动压力在0～20 kPa 范围内变化，得到片上膜阀并联出口流量-液流驱动压力特性仿真结果如图14所示。

图14 片上膜阀并联在不同液流驱动压力下出口流量

从片上膜阀并联出口流量-液流驱动压力特性仿真结果图中可以看出，当液流驱动压力小于5 kPa时，流量增益较大。随时液流驱动压力的增大，流量增益逐渐趋于一致，对流量的调节作用几乎均匀。当液流驱动压力为20 kPa时，片上膜阀并联出口流量为1160 μL/min，大于片上膜阀串联出口流量的调节范围960 μL/min，小于单个片上膜阀的出口流量 1790 μL/min。

5 实验

进行智能痕量灌溉系统片上膜阀流量特性实验，利用PDMS高弹有机分子材料和软蚀刻技术进行封装，整体封装尺寸为25 mm×10 mm×8 mm，如图15所示，其中气体驱动腔尺寸为600 μm×400 μm×150 μm，微流道宽度为500 μm，弧高度为180 μm，与仿真所用物理模型结构尺寸一致。

图15 智能痕量灌溉系统控水元件照片

实验前用去离子水(De-ionized，DI)冲洗芯片约10 min，去除芯片内多余气体，将气源与气动微流控芯片气体驱动腔入口连接，提供不同的气体驱动压力和阀口开度，之后将DI水注入细针管，与片上膜阀入口连接，液体驱动压力设置为10 kPa。使用烧杯和精密电子秤测量一定时间内片上膜阀出口的液体质量，通过体积流量与质量、密度和时间的关系，计算得到片上膜阀出口体积流量。

液流驱动压力设定为10 kPa，气体驱动腔内压力分别为0， 5， 10， 15， 20 kPa的情况下，单个片上膜阀出口流量实验数据和仿真结果比较如图16所示。气体腔驱动压力设定为0，液流驱动压力分别为0， 5， 10， 15， 20 kPa的情况下，单个片上膜阀出口流量实验数据和仿真结果比较如图17所示。

从图16和图17单个片上膜阀出口流量在不同气体驱动压力和不同液流驱动压力下的实验数据和仿真结果对比图可以看出，两者总体变化趋势基本吻合；实验数据均小于仿真结果。实验数据与仿真结果和理论计算值虽有偏差，但偏差在可接受范围内，且两者总体变化趋势相近，因而实验结果能够验证仿真数据的正确性。实验数据均小于仿真结果是由于仿真过程中忽略了很多实际因素所致，比如流体黏度、流固界面效应、界面张力、黏性应力和毛细管数等。

图16 单个片上膜阀在不同气体驱动压力下仿真结果和实验数据比较

图17 单个片上膜阀在不同液流驱动压力下仿真结果和实验数据比较

6 结论

本研究设计了智能痕量灌溉系统结构，并阐述了其工作机理。利用ANSYS有限元分析软件和Fluent二次开发功能UDF编程对智能痕量灌溉系统单个片上膜阀和多组合片上膜阀在不同气体驱动压力和不同液流驱动压力下的动态流量特性进行仿真研究。单个片上膜阀在同样条件下控水范围较大，但对流量的调节不够精细。片上膜阀并联能够实现对液体微小流量的精细调节，但控水范围较小。片上膜阀串联不仅控水范围较大，且对流量的调节比较精细。

利用PDMS材料和软蚀刻技术对智能痕量灌溉系统控水元件-气动微流控芯片片上膜阀进行封装，整体封装尺寸仅为25 mm×10 mm×8 mm。对智能痕量灌溉系统控水元件进行实验研究，在不同气体驱动压力(不同阀口开度)和不同液流驱动压力下，对单个片上膜阀出口流量进行测试。实验结果表明，单个片上膜阀出口流量实验数据与仿真结果趋近于一致。

本研究对农业中智能痕量灌溉系统中微小流量的控制理论思想及设计方法具有极强的指导意义和参考价值，可以促进气动微流控芯片应用系统和逻辑流量回路的研究，在此基础上研发高集成度的智能植物痕量灌溉系统，满足市场对新型智能化痕量灌溉设备的巨大需求，对全球性痕量灌溉技术产品具有重大的现实促进意义。