压电薄膜泵驱动的新型直线马达

提出了一种由压电薄膜泵和液压缸构成的新型直线马达(简称压电液压马达)。介绍了其结构和工作原理,并进行了性能分析与测试。利用尺寸为35 mm×1 mm的薄膜型压电振子制作了两腔体串联压电泵,并与直径15 mm、有效行程100 mm的液压缸进行了联机试验。研究结果表明,在驱动频率一定,驱动电压超过100 V时,驱动力与速度随电压的提高线性增加。在驱动电压为140 V、工作频率为70 Hz的条件下,获得压电液压马达的最大速度和推力分别为14.5 mm/s和17.8 N,最大输出功率为63.5 mW。     

带整体开启阀的双腔串联压电薄膜泵

阐述了带整体开启阀的双腔串联压电薄膜泵的工作原理并给出结构设计。对整体开启阀的过流特性进行了理论推导,定性分析了影响其过流性能的因素,并用实验加以证明。对影响压电泵性能的因素,如腔体高度、阀的结构、阀的滞后性、空穴现象等进行了理论分析与实验测试,得出了其对压电泵输出性能的影响规律。所设计带整体开启阀的双腔串联压电薄膜泵样机具有自吸性,通过调整输入电压和频率可控制泵的流量与压力输出,工作性能稳定。在输入电压为200 V、工作频率为250 Hz左右时,最大输出流量和压力可分别达到950 mL/m in和75 kPa,自吸高度为0.285 m。     

流量最佳频率为50 Hz的压电泵特性

设计了输出流量最佳频率为50 Hz的压电泵。测定了压电泵的进出口布置方式、进出水管管径、密封圈布置方式、腔体高度对压电泵流量最佳频率的影响规律。所设计的压电泵可直接利用日常照明电驱动,可通过电阻分压的方法实现压电泵的流量调节。试验结果表明:以水为工作介质,该压电泵在通用的50 Hz、220 V正弦交流电压驱动下工作性能稳定;流量可达到600 mL/min;省去了特制电源,从而大大降低了成本,具有较好的应用前景。     

矩形压电振子式主动阀压电泵的设计及其性能

根据压电泵的工作原理,基于两端夹持式主动阀开发了矩形压电振子式主动阀压电泵,对其结构及工作原理进行了说明。计算了其理论流量,剖析了流量的影响因素。通过试验研究得出:泵在工作时阀腔压电振子与泵腔压电振子之间的最佳相位差是70°和250°。测试了阀腔压电振子在不同电压、频率驱动信号作用下压电泵的输出特性。同时,对主动阀压电泵的双向泵送能力进行了比较分析。实验结果表明:与正弦波相比,方波作为矩形压电振子主动阀的控制信号时,流量相对比较大。频率为70Hz时,最大流量为140mL/min;在高频情况下,矩形压电双晶片式主动阀压电泵的流量保持较好,圆形压电振子式主动阀压电泵的流量下降明显。     

微流体混合用双入口压电泵的研制

对双入口压电泵进行了结构设计及工作过程分析,推导了单腔体压电泵的输出流量与入口截面积的关系。搭建了双入口压电泵的试验测试系统,分别对单入口压电泵和双入口压电泵的输出性能进行试验测试。试验结果表明:双入口压电泵的最大输出流量比单入口压电泵提高77.4mL/min;双入口压电泵的最大输出压力比单入口压电泵提高1.92kPa,双入口压电泵可以实现两种流体的混合。理论分析及试验结果表明:双入口压电泵可以提高单腔体压电泵的输出性能,并实现两种流体的混合,同时通过控制双入口压电泵的驱动频率,可以实现对两种流体的变量混合。     

双晶片两主动阀式压电泵的设计及试验

以双晶片压电振子为驱动元件,研制了两主动阀式压电泵。结合该泵的机械结构,详细分析了主动阀压电泵的作用机理。根据双晶片压电振子式主动阀压电泵对驱动信号的要求,搭建了两主动阀式压电泵的试验测试控制系统。最后对主动阀泵进行了性能测试和试验研究。结果表明,在电信号频率为40 Hz时,泵的正向最大输出流量为180 ml/min,反向最大输出流量为170 ml/min,正向最大输出压力为6 kPa。     

单腔单阀压电喷流泵

根据压电泵的工作原理开发了一种适用于喷流推进的压电泵.通过分析这种压电泵在一个周期内的工作状态及喷嘴直径对喷射高度的影响,制成了单腔、单阀结构的试验样机,并以水为介质测试了输出性能.实验结果表明:在200 V正弦电压作用下,样机工作频率为45 Hz时流量最大,达425 ml/min;工作频率为75 Hz时输出压力最高,为22 kPa,此时最大喷射高度可达105 cm.压电喷流泵以简单的结构实现了较高的压力输出,证明将其用作喷流推进是可行的.     

双入口压电泵的流体混合仿真分析与验证

为简化微流体混合器的结构,在单腔体有阀压电泵的基础上,设计了一种新型的双入口压电泵。对双入口压电泵的结构及工作过程进行了分析,得出双入口压电泵可以实现两种流体的主动混合。为进一步研究双入口压电泵在进行流体混合时的混合形态,利用Fluent软件,对双入口压电泵工作过程中,泵腔内的流场形态进行模拟仿真,得出结论:双入口压电泵工作时,两个入口吸入的流体在泵腔内不发生混合,在出口单向阀处混合后输出。为验证仿真结果,对双入口压电泵进行流体混合试验测试,测试结果表明:双入口压电泵在工作时,泵腔内两种流体的交界面清晰,并不进行混合,在出口处混合后输出,与仿真结果一致。进一步测试了在不同驱动频率下,双入口压电泵的两入口吸入量占泵出量的百分比,得出结论:双入口压电泵的两入口吸入量占泵出量的百分比随着驱动频率的变化而发生变化,可以通过调节双入口压电泵的驱动频率来控制混合后流体的性质。     

双作用压电薄膜泵

对单振子、双腔、四阀双作用压电薄膜泵的输出特性进行了研究,解释了该种压电薄膜泵的结构和工作原理.以有机玻璃为原材料加工制作了试验样机,并以水为介质测试了振子工作晶片的数量以及单、双腔工作对压电泵输出流量的影响规律,分析了增频后双作用泵输出性能不如单作用泵的原因.通过对双作用压电薄膜泵的输出流量和压力的测试得出:当双作用泵工作频率低于40Hz时,其输出流量优于单作用泵,能够提高机械转化效率;工作过程无脉动现象;在100V正弦交流信号输入下,它的最佳工作频率为20Hz,输出流量为785mL/min,输出压力为14kPa.所得到的试验结果为有阀压电薄膜泵的设计和开发奠定了基础.     

基于PMMA内嵌三维流道的压电驱动微混合器

为改善微尺度下流体的混合效果,提高微混合器的混合效率,设计制造了一种基于PMMA内嵌三维流道的压电驱动微混合器。该微混合器以双腔串联压电泵为驱动源,结合Y型多拐角螺旋式三维流道,基于PMMA封装键合工艺,在一定温度、压力条件下键合而成。应用CAE软件对结构进行了仿真优化设计,优选出最佳结构参数,最终确定外形尺寸为50mm×35mm×7.2mm。在实验室内进行了脉动和混合效果实验,实验结果表明:当频率为50Hz,输出流量约为1mL/min时,流道内脉动效果明显;压电微泵脉动混合技术和多拐角流道结构促进微流体混合,是一种融合了主、被动混合器特点的新型微混合技术。     

一种新型微泵的结构设计及其流体的有限元分析

提出一种双腔微泵结构设计方案，建立微泵膜片的有限元模型，应用有限元流固耦合分析对流体进行模拟，经过分析计算，得到微泵的输出流量，并模拟出流速和压力的变化情况，从而较为全面地认识微泵系统的流体特性．     

无阀微泵工作机理的研究

介绍了无阀微泵的发展状况，阐述了其工作机理．对扩散口和喷嘴的工作进行了分析．对无阀微泵在流体流动时的能量损失、输入输出流量、一个周期的净流量以及影响微泵工作效率的因素进行了讨论．提出了优化结构设计的思想方法．     

静电无阀微泵两种仿真模型的比较研究

为提高无阀微泵性能,分别采用全耦合模型(FCM)和预先定义泵膜位移的模型(PDM)对基于扩散/收缩单元的静电无阀微泵的动态特性进行计算仿真.对泵膜变形形状、泵膜中点位移、泵腔内压力以及进出口处流量等的变化历程进行比较.结果表明:PDM模型计算费用较低,但无法以较高精度近似泵膜变形的动态特性,进而导致错误的瞬态流场结果.要准确仿真微泵的动态特性,必须考虑电-结构-流场之间的相互作用.     

平面无阀微泵的设计与制作

依据扩散口/喷嘴理论,设计了具有单向整流特性的无阀微泵.采用硅平面工艺、各向异性腐蚀、削角补偿和静电键合等微机械加工工艺技术,制作了平面尺寸为18 mm×13 mm的无阀微泵.经过测试,当扩散口/喷嘴长度为2.5μm、扩散口/喷嘴的窄口宽度为150μm、腐蚀深度为150μm时,微泵的最大泵压达14.8 kPa,最大流量为558μL/m in.     

交流电渗微泵理论模型与数值仿真

通过交流电渗流的产生机制及对非对称电极交流电渗微泵驱动原理的分析，建立了交流电渗微泵的物理模型和数学模型．根据微通道内电势分布满足Laplace方程，确定了交流电渗微泵微通道内电势及电场分布．并且利用设定的微通道内流场的边界条件，对Navier-Storks方程进行了数值仿真计算，获得了微通道内电渗流流场，分析表明其仿真计算与实验结果具有较好的一致性．从而验证了交流电渗微泵理论模型的正确性，为进一步研究和分析非对称电极交流电渗微泵提供了理论工具和仿真手段．     

静电微泵的端点特性研究

针对现有静电微泵性能仿真存在耗时长、需要参数多的问题，建立一种简单、准确的用于描述微泵端点特性的模型。使用端点特性建模技术，由拉格朗日方程得出微泵的运动方程，并给出了静电微泵的端点特性模型和流量表达式；利用能量耦合法和ANSYS分析软件，由宏模型的动态响应方程仿真静电微泵腔的端点特性量关系式。对静电微泵进行动态特性仿真研究，分析结果表明只需泵膜半径、泵膜厚度、静电间隙等参数就能分析微泵腔的动态响应，减少了计算过程的复杂性。     

压电致动式圆片驱动装置结构分析与设计

根据压电致动的工作原理,建立了圆片微驱动装置的压电复合层薄板的机电耦合力学模型;应用弹性薄板的小挠度弯曲理论,推导出圆形压电复合层薄板的弹性曲面微分方程,提出由逆压电效应引起的平面应变可以等效为作用在压电复合层薄板上的横向荷载的设计方法;指出等效横向荷载取决于平行板电容器的边缘电场分布.推导了压电复合层薄板中性面的表达式.在求电场的超越方程数值解的基础上,建立了微驱动装置的有限元结构模型,并对某微泵驱动装置进行了计算仿真,得到令人满意的结果.     

Numerical simulation of a thermal-bubble actuated diffuser-nozzle valveless pump

A valveless micropump actuated by thermal bubbles which are generated by an electrode heater mounted with a pair of diffuser nozzles has been numerically studied by commercial CFD software FLUENT. The relationships between the net flow rate and the superheating and heat supplying frequency have been investigated. The depth of the diffuser-nozzle micropump is 200 μm, the diameter of the actuating chamber is 1 mm, and a pair of diffuser nozzles whose gap has been expanded from 30 μm to 274 μm with an open ang...     

离心式铁磁流体微泵的设计及流动特性分析

铁磁流体微泵由于其自润滑性和自密封性,使其更加符合微流控技术应用在生物医学、生命科学、化学分析、航空航天等领域的需求,而在目前的结构设计中无法同时满足加工简单、可靠性高、流动稳定等优势,因此限制其应用及发展。为提高铁磁流体微泵的可靠性和稳定性,促进其发展和应用,本研究基于铁磁流体的外场控制原理、磁流变效应及介质流体的流体力学行为设计了一种离心式的新型铁磁流体微泵,并应用数值计算分析了介质流体流动特性。结果表明：该微泵可以有效实现泵送过程,当转速为10 r/min时,一个周期内的泵送净流量可达0.07 kg/T,且在两股铁磁流体的交替作用下可以阻断泵腔进口与出口的介质流体质量交换;由于铁磁流体与泵腔结构的动静干涉作用,导致出口流量存在轻微脉动(数量级为10^-5),但仍处于层流状态(Re<1),并且由于惯性力与特征尺寸相关而黏滞力与特征尺寸无关等力学因素,导致泵送动力对出口尺寸长度非常敏感,在转速4 r/min、出口段长度9 mm时无法实现有效泵送。同时对铁磁流体与泵送介质流体之间的相界面压力波动和自密封性能进行分析,得到相界面上的压力波动峰值远小于铁磁流体自密...     

一种合成射流压电微泵关键结构参数确定方法

为增大无阀微泵流量,改进合成射流微泵设计方法,设计一种基于合成射流压电激励器的微泵结构,并提出关键结构参数的确定方法.在合成射流激励器流场模拟结果基础上,绘制其轴线上的轴向瞬时速度变化曲线以及出口横截面上的轴向速度分布曲线,利用轴线上轴向速度稳定点以及出口横截面上轴向速度分布曲线的零点确定最佳泵腔高度和出口直径.对所选用的合成射流激励器流场进行三维数值模拟,结果表明:利用该方法得到微泵结构的最佳泵腔高度为7 mm,最佳出口直径为1.78 mm.在零背压下,当雷诺数为225、频率为100 Hz时,该合成射流微泵流量可达32.1 m L/min.数值仿真与实验对比验证了方法的可行性.利用该方法可以有效地确定该类微泵在大流量且连续稳定出流性能下的关键结构尺寸.