类鹅卵石表面结构阻流体无阀压电泵的试验

严天祥, 屈俊辰, 陈辉庆, 李先瑄, 秦建华

(1. 桂林理工大学 机械与控制工程学院,广西 桂林 541006,E-mail:yangtxboy@163.com;2. 广西高校先进制造与自动化技术重点实验室,广西 桂林 541006;3. 广西智能橡胶装备工程研究中心,广西 桂林 541006)

文献[13]瑞典Erik Stemme等首次提出了锥形流管无阀压电泵,其核心是在泵腔外安装一对互为倒置的锥形流管,利用其正反向流阻不等特性来输送流体。随后,国内外学者在该特性基础上设计了TESLA管无阀压电泵[14]、非对称分叉流管无阀压电泵[15]、螺线形流管无阀压电泵[16]等流管外置无阀压电泵。然而,这类泵的外置流管会增大泵的体积,阻碍了微流体传输系统的小型化。为此,夏齐霄等开发了不对称斜面无阀压电泵[17],其核心是在泵腔底部放置多个不对称斜面结构,流体流经该斜面结构时会有较大损耗,导致泵的输出流量较小。为提高该泵的输出流量,纪晶等通过将不对称斜面结构改变为半球缺组提出了半球缺阻流体无阀压电泵(简称为半球缺泵)[18],其能够增大流阻比,有效提高泵的输出流量。由此可见,无阀压电泵的泵腔内部几何结构对其输出性能有着重要影响。

为提高半球缺泵的输出流量,基于鹅卵石表面结构特征设计了一种类鹅卵石表面结构阻流体无阀压电泵(简称为类鹅卵石泵)。首先,介绍了该泵的结构和工作原理,建立了其输出流量与流阻比的关系式;其次,仿真分析了该泵的泵腔内部流速分布,并将其与半球缺泵的流阻比进行了对比;最后,制作了两种泵样机,进行了流量和压力差试验。仿真和试验结果均表明类鹅卵石泵的流体运输能力优于半球缺泵。

1 结构设计

图1为类鹅卵石泵的结构示意图,其主要由泵盖、压电振子、泵盖与泵体密封圈、泵体、两个半椭球缺(鹅卵石表面结构类似椭球体)、流管A和B、螺母和螺栓等组成。泵盖与泵体设有凹槽,槽内分别放置泵盖与泵体密封圈,两者配合来弹性支撑压电振子,一方面可保证泵腔气密性,另一方面可提高压电振子振动幅度。半椭球缺的1/4椭球面正对于流管A,1/2圆面正对于流管B。由于1/4椭球面的流阻小于1/2圆面,定义流体从流管A流入、流管B流出为正向流动,反之为反向流动。

图1 类鹅卵石泵的结构示意图

类鹅卵石泵的工作过程分为吸程和排程。当压电振子从初始位置向上振动时,泵腔体积增大,腔内压强减小,流管A和B同时吸入流体,此过程称为吸程,如图2(a)所示。在吸程中,半椭球缺1/4椭球面的流阻小于1/2圆面,流管A比流管B吸入更多体积流体。当压电振子从最大位移处向下振动时,泵腔体积减小,腔内压强增大,流管A和B同时排出流体,此过程称为排程,如图2(b)所示,同理,流管B比流管A排出更多体积流体。类鹅卵石泵工作时不断吸入和排出流体,宏观上实现了流体由流管A到流管B的单向运输。

图2 类鹅卵石泵的工作原理图

2 理论分析

图3为压电振子的振动示意图。

图3 压电振子的振动示意图

压电振子工作时,受正弦交流电激励做周期性振动,在1/4周期时,其变形曲面近似旋转抛物面。以压电振子中心位置为极点,建立极坐标系,则该抛物面的变化方程为:

ω(r)=ω0( 1-r2/R2)

(1)

式中:R,ω0分别为压电振子半径和压电振子最大振幅。

即使《社区矫正实施办法》中细化了社区矫正制度，规定了社区矫正的工作主体机构、人员队伍、工作程序等内容，为我国的社区矫正工作填补了些许空白，但是对于具体程序的规定仍缺乏可操作性。而且，青海省也未出台指导本省社区矫正工作的实施细则，这引发了实践中社区矫正工作的众多难题。例如，对于社区服刑人员教育、管理、奖惩的方式、方法等项目内容规定单一，缺乏可选择性，而对于公安机关、检察机关、法院、司法行政关等各部门的工作如何有效地衔接配合等方面的内容规定不够详尽，易造成“都不管”或“都要管”的无序局面。

通过对变化方程积分可得,泵腔容积的最大变化量ΔVmax:

(2)

在0到1/4周期内,流管A和B同时吸入流体,泵腔容积的最大变化量ΔVmax等于吸入流体的总体积,有:

(3)

由Singhal等提出的无阀压电泵压力差理论[20]可知,泵进出口压力差Δp:

(4)

式中:ξ,ρ,v分别为流阻系数、流体密度和流速。

由式(4)推得,正、反向平均流速为:

(5)

式中:Δpz,Δpf,ξz,ξf分别为正向进出口压力差、反向进出口压力差、正向流阻系数和反向流阻系数。

设流体不可压缩且正、反向进出口压力差相等,联立式(1)-(5),可得:

(6)

在1/4到1/2周期内,压电振子从最大振幅处回到初始位置,流管A和B同时排出流体,则泵的1/2周期输出流量Qb为:

(7)

在压电振子振动一个周期内压电泵完成2次吸程与排程。综合式(1)-(7),在频率f正弦交流电激励下,泵的整个周期输出流量Q为:

(8)

式中:δ为流阻比。

由式(8)可知,当正向流阻系数小于反向流阻系数,即δ>1时,压电泵的输出流量Q>0,其能进行流体运输。另外,流阻比越大,泵的输出流量Q越高。

3 仿真分析

3.1 流速分布

为验证类鹅卵石泵的可行性,对其泵腔内部流速分布进行分析。采用UG软件建立类鹅卵石泵的泵腔模型,采用ANSYS软件进行网格划分和仿真计算。图4(a)为类鹅卵石泵的泵腔模型,其主要参数为:泵腔的长度L为25 mm、宽度W为12 mm、高度H为7 mm,流管直径d为4 mm,半椭球缺的长半轴半径r1为6 mm、短半轴半径r2为3 mm,半椭球缺间距l1为9 mm。图4(b)为类鹅卵石泵的泵腔流体域网格模型。模拟仿真时,采用标准k-ε湍流模型,选用不可压缩水为流体介质,其密度和运动粘度分别为998.2 kg/m3和1.01×10-3Pa·s,泵腔进出口均设为压力边界条件,入口压力设为1 kPa,出口压力设为0 kPa。

图4 类鹅卵石泵的泵腔模型和流体域网格模型

图5为类鹅卵石泵的网格无关性分析。由图5可知:类鹅卵石泵的正向输出流量在网格数量低于8.3万时变化剧烈,之后趋于平稳。为保证计算准确性,仿真时选取网格数量为8.3万。

图5 类鹅卵石泵的网格无关性分析

图6为正、反向流动时,类鹅卵石泵的泵腔中间等高面的速度分布图。由图6可知:正向流动时,流体主要受到1/4椭球面的形状阻力,流速变化平缓;反向流动时,流体主要受到1/2圆面的形状阻力,流体在经过第二个1/2圆面后快速降低,在泵腔出口处顶部产生较大波动。另外,图6(a)中正向流动出口流速大于图6(b)中反向流动出口流速,考虑正、反向流动的进出口压力差相等,由式(4)和(8)可得,类鹅卵石泵的正向流阻系数小于反向流阻系数,即类鹅石泵能够实现流体的单向运输,验证了其可行性。

图6 类鹅卵石泵的正反向速度分布图

3.2 流阻对比

图7 半球缺泵的泵腔网格模型与网格无关性分析

图8为类鹅卵石泵和半球缺泵在不同进出口压力差下正、反向输出流量与流阻比的变化曲线。由图8可知:进出口压力差相同时,类鹅卵石泵的正向输出流量较半球缺泵得到大幅提高,而反向输出流量基本保持不变,说明鹅卵石表面结构能有效促进液体流动。此外,随着进出口压力差增大,两种泵的正、反向输出流量逐渐增大,而流阻比基本不变,类鹅卵石泵和半球缺泵的流阻比平均值分别为1.04和1.02,表明类鹅卵石泵的流体运输能力优于半球缺泵。

图8 正、反向输出流量与流阻比的变化曲线图

4 试验研究

4.1 流量试验

使用纵横立方(Anycubic)光固化3D打印机Photon mono 4K按照仿真模型制作了两种泵的泵体,如图9(a)所示。泵体打印材料为光敏树脂,打印精度设为0.1 mm,将其与压电振子、密封圈、螺栓和螺母等装配成试验泵,如图9(b)所示。试验泵采用铜基片半径为35 mm、压电陶瓷层半径为29 mm的压电振子。

图9 泵体和试验泵

利用信号发生器、功率放大器、烧杯、电子秤和流管等搭建流量试验装置,如图10(a)所示。试验时,采用蒸馏水为流体介质,设定驱动电压峰值为220 V,通过信号发生器改变驱动频率,用电子秤测量在不同驱动频率下试验泵单位时间内的输出流量。图10(b)为类鹅卵石泵和半球缺泵的输出流量随驱动频率的变化曲线。由图10(b)可知:随着驱动频率增大,两者的输出流量先不断增大,9 Hz时达到最大值,之后逐渐减小。类鹅卵石泵和半球缺泵的最大输出流量分别为24.98 ml/min和17.04 ml/min,对比可得类鹅卵石泵的最大输出流量较半球缺泵提高了46.60%。

图10 流量试验装置和试验结果

4.2 压力差试验

图11(a)为压力差试验装置。采用蒸馏水为流体介质,设定驱动电压峰值为220 V,通过改变驱动频率,控制试验泵进口流管内液面高度基本不变,用直尺测量在不同驱动频率下出口流管的液面高度差H1(近似进出口压力差)。图11(b)为类鹅卵石泵和半球缺泵的压力差随驱动频率的变化曲线。由图11(b)可知:随着驱动频率增大,两者的压力差均先增加后减小。当驱动频率为11 Hz时,半球缺泵的压力差最大值达到18.0 mm;当驱动频率为14 Hz时,类鹅卵石泵的压力差最大值达到32.5 mm,较半球缺泵提高了80.56%。

图11 压力差试验装置和试验结果

5 结论

(1) 基于鹅卵石表面结构能促进液体流动的特性,提出了一种类鹅卵石泵,理论分析表明流阻比越大,泵的输出流量越高。

(2) 类鹅卵石泵的正向流阻系数小于反向流阻系数,验证了类鹅卵石泵的可行性;类鹅卵石泵和半球缺泵的流阻比平均值分别为1.04和1.02,表明类鹅卵石泵的流体运输能力优于半球缺泵。

(3) 当驱动电压为220 V时,半球缺泵的最大输出流量为17.04 ml/min,类鹅卵石泵的最大输出流量为24.98 ml/min,较半球缺泵提高了46.60%;半球缺泵的最大压力差为18.0 mm,类鹅卵石泵的最大压力差为32.5 mm,较半球缺泵提高了80.56%。