類鵝卵石表面結構阻流體無閥壓電泵的試驗

嚴天祥, 屈俊辰, 陳輝慶, 李先瑄, 秦建華

(1. 桂林理工大學 機械與控制工程學院,廣西 桂林 541006,E-mail:yangtxboy@163.com;2. 廣西高校先進制造與自動化技術重點實驗室,廣西 桂林 541006;3. 廣西智能橡膠裝備工程研究中心,廣西 桂林 541006)

文獻[13]瑞典Erik Stemme等首次提出了錐形流管無閥壓電泵,其核心是在泵腔外安裝一對互為倒置的錐形流管,利用其正反向流阻不等特性來輸送流體。隨后,國內外學者在該特性基礎上設計了TESLA管無閥壓電泵[14]、非對稱分叉流管無閥壓電泵[15]、螺線形流管無閥壓電泵[16]等流管外置無閥壓電泵。然而,這類泵的外置流管會增大泵的體積,阻礙了微流體傳輸系統(tǒng)的小型化。為此,夏齊霄等開發(fā)了不對稱斜面無閥壓電泵[17],其核心是在泵腔底部放置多個不對稱斜面結構,流體流經該斜面結構時會有較大損耗,導致泵的輸出流量較小。為提高該泵的輸出流量,紀晶等通過將不對稱斜面結構改變?yōu)榘肭蛉苯M提出了半球缺阻流體無閥壓電泵(簡稱為半球缺泵)[18],其能夠增大流阻比,有效提高泵的輸出流量。由此可見,無閥壓電泵的泵腔內部幾何結構對其輸出性能有著重要影響。

為提高半球缺泵的輸出流量,基于鵝卵石表面結構特征設計了一種類鵝卵石表面結構阻流體無閥壓電泵(簡稱為類鵝卵石泵)。首先,介紹了該泵的結構和工作原理,建立了其輸出流量與流阻比的關系式;其次,仿真分析了該泵的泵腔內部流速分布,并將其與半球缺泵的流阻比進行了對比;最后,制作了兩種泵樣機,進行了流量和壓力差試驗。仿真和試驗結果均表明類鵝卵石泵的流體運輸能力優(yōu)于半球缺泵。

1 結構設計

圖1為類鵝卵石泵的結構示意圖,其主要由泵蓋、壓電振子、泵蓋與泵體密封圈、泵體、兩個半橢球缺(鵝卵石表面結構類似橢球體)、流管A和B、螺母和螺栓等組成。泵蓋與泵體設有凹槽,槽內分別放置泵蓋與泵體密封圈,兩者配合來彈性支撐壓電振子,一方面可保證泵腔氣密性,另一方面可提高壓電振子振動幅度。半橢球缺的1/4橢球面正對于流管A,1/2圓面正對于流管B。由于1/4橢球面的流阻小于1/2圓面,定義流體從流管A流入、流管B流出為正向流動,反之為反向流動。

圖1 類鵝卵石泵的結構示意圖

類鵝卵石泵的工作過程分為吸程和排程。當壓電振子從初始位置向上振動時,泵腔體積增大,腔內壓強減小,流管A和B同時吸入流體,此過程稱為吸程,如圖2(a)所示。在吸程中,半橢球缺1/4橢球面的流阻小于1/2圓面,流管A比流管B吸入更多體積流體。當壓電振子從最大位移處向下振動時,泵腔體積減小,腔內壓強增大,流管A和B同時排出流體,此過程稱為排程,如圖2(b)所示,同理,流管B比流管A排出更多體積流體。類鵝卵石泵工作時不斷吸入和排出流體,宏觀上實現了流體由流管A到流管B的單向運輸。

圖2 類鵝卵石泵的工作原理圖

2 理論分析

圖3為壓電振子的振動示意圖。

圖3 壓電振子的振動示意圖

壓電振子工作時,受正弦交流電激勵做周期性振動,在1/4周期時,其變形曲面近似旋轉拋物面。以壓電振子中心位置為極點,建立極坐標系,則該拋物面的變化方程為:

ω(r)=ω0( 1-r2/R2)

(1)

式中:R,ω0分別為壓電振子半徑和壓電振子最大振幅。

即使《社區(qū)矯正實施辦法》中細化了社區(qū)矯正制度，規(guī)定了社區(qū)矯正的工作主體機構、人員隊伍、工作程序等內容，為我國的社區(qū)矯正工作填補了些許空白，但是對于具體程序的規(guī)定仍缺乏可操作性。而且，青海省也未出臺指導本省社區(qū)矯正工作的實施細則，這引發(fā)了實踐中社區(qū)矯正工作的眾多難題。例如，對于社區(qū)服刑人員教育、管理、獎懲的方式、方法等項目內容規(guī)定單一，缺乏可選擇性，而對于公安機關、檢察機關、法院、司法行政關等各部門的工作如何有效地銜接配合等方面的內容規(guī)定不夠詳盡，易造成“都不管”或“都要管”的無序局面。

通過對變化方程積分可得,泵腔容積的最大變化量ΔVmax:

(2)

在0到1/4周期內,流管A和B同時吸入流體,泵腔容積的最大變化量ΔVmax等于吸入流體的總體積,有:

(3)

由Singhal等提出的無閥壓電泵壓力差理論[20]可知,泵進出口壓力差Δp:

(4)

式中:ξ,ρ,v分別為流阻系數、流體密度和流速。

由式(4)推得,正、反向平均流速為:

(5)

式中:Δpz,Δpf,ξz,ξf分別為正向進出口壓力差、反向進出口壓力差、正向流阻系數和反向流阻系數。

設流體不可壓縮且正、反向進出口壓力差相等,聯(lián)立式(1)-(5),可得:

(6)

在1/4到1/2周期內,壓電振子從最大振幅處回到初始位置,流管A和B同時排出流體,則泵的1/2周期輸出流量Qb為:

(7)

在壓電振子振動一個周期內壓電泵完成2次吸程與排程。綜合式(1)-(7),在頻率f正弦交流電激勵下,泵的整個周期輸出流量Q為:

(8)

式中:δ為流阻比。

由式(8)可知,當正向流阻系數小于反向流阻系數,即δ>1時,壓電泵的輸出流量Q>0,其能進行流體運輸。另外,流阻比越大,泵的輸出流量Q越高。

3 仿真分析

3.1 流速分布

為驗證類鵝卵石泵的可行性,對其泵腔內部流速分布進行分析。采用UG軟件建立類鵝卵石泵的泵腔模型,采用ANSYS軟件進行網格劃分和仿真計算。圖4(a)為類鵝卵石泵的泵腔模型,其主要參數為:泵腔的長度L為25 mm、寬度W為12 mm、高度H為7 mm,流管直徑d為4 mm,半橢球缺的長半軸半徑r1為6 mm、短半軸半徑r2為3 mm,半橢球缺間距l(xiāng)1為9 mm。圖4(b)為類鵝卵石泵的泵腔流體域網格模型。模擬仿真時,采用標準k-ε湍流模型,選用不可壓縮水為流體介質,其密度和運動粘度分別為998.2 kg/m3和1.01×10-3Pa·s,泵腔進出口均設為壓力邊界條件,入口壓力設為1 kPa,出口壓力設為0 kPa。

圖4 類鵝卵石泵的泵腔模型和流體域網格模型

圖5為類鵝卵石泵的網格無關性分析。由圖5可知:類鵝卵石泵的正向輸出流量在網格數量低于8.3萬時變化劇烈,之后趨于平穩(wěn)。為保證計算準確性,仿真時選取網格數量為8.3萬。

圖5 類鵝卵石泵的網格無關性分析

圖6為正、反向流動時,類鵝卵石泵的泵腔中間等高面的速度分布圖。由圖6可知:正向流動時,流體主要受到1/4橢球面的形狀阻力,流速變化平緩;反向流動時,流體主要受到1/2圓面的形狀阻力,流體在經過第二個1/2圓面后快速降低,在泵腔出口處頂部產生較大波動。另外,圖6(a)中正向流動出口流速大于圖6(b)中反向流動出口流速,考慮正、反向流動的進出口壓力差相等,由式(4)和(8)可得,類鵝卵石泵的正向流阻系數小于反向流阻系數,即類鵝石泵能夠實現流體的單向運輸,驗證了其可行性。

圖6 類鵝卵石泵的正反向速度分布圖

3.2 流阻對比

圖7 半球缺泵的泵腔網格模型與網格無關性分析

圖8為類鵝卵石泵和半球缺泵在不同進出口壓力差下正、反向輸出流量與流阻比的變化曲線。由圖8可知:進出口壓力差相同時,類鵝卵石泵的正向輸出流量較半球缺泵得到大幅提高,而反向輸出流量基本保持不變,說明鵝卵石表面結構能有效促進液體流動。此外,隨著進出口壓力差增大,兩種泵的正、反向輸出流量逐漸增大,而流阻比基本不變,類鵝卵石泵和半球缺泵的流阻比平均值分別為1.04和1.02,表明類鵝卵石泵的流體運輸能力優(yōu)于半球缺泵。

圖8 正、反向輸出流量與流阻比的變化曲線圖

4 試驗研究

4.1 流量試驗

使用縱橫立方(Anycubic)光固化3D打印機Photon mono 4K按照仿真模型制作了兩種泵的泵體,如圖9(a)所示。泵體打印材料為光敏樹脂,打印精度設為0.1 mm,將其與壓電振子、密封圈、螺栓和螺母等裝配成試驗泵,如圖9(b)所示。試驗泵采用銅基片半徑為35 mm、壓電陶瓷層半徑為29 mm的壓電振子。

圖9 泵體和試驗泵

利用信號發(fā)生器、功率放大器、燒杯、電子秤和流管等搭建流量試驗裝置,如圖10(a)所示。試驗時,采用蒸餾水為流體介質,設定驅動電壓峰值為220 V,通過信號發(fā)生器改變驅動頻率,用電子秤測量在不同驅動頻率下試驗泵單位時間內的輸出流量。圖10(b)為類鵝卵石泵和半球缺泵的輸出流量隨驅動頻率的變化曲線。由圖10(b)可知:隨著驅動頻率增大,兩者的輸出流量先不斷增大,9 Hz時達到最大值,之后逐漸減小。類鵝卵石泵和半球缺泵的最大輸出流量分別為24.98 ml/min和17.04 ml/min,對比可得類鵝卵石泵的最大輸出流量較半球缺泵提高了46.60%。

圖10 流量試驗裝置和試驗結果

4.2 壓力差試驗

圖11(a)為壓力差試驗裝置。采用蒸餾水為流體介質,設定驅動電壓峰值為220 V,通過改變驅動頻率,控制試驗泵進口流管內液面高度基本不變,用直尺測量在不同驅動頻率下出口流管的液面高度差H1(近似進出口壓力差)。圖11(b)為類鵝卵石泵和半球缺泵的壓力差隨驅動頻率的變化曲線。由圖11(b)可知:隨著驅動頻率增大,兩者的壓力差均先增加后減小。當驅動頻率為11 Hz時,半球缺泵的壓力差最大值達到18.0 mm;當驅動頻率為14 Hz時,類鵝卵石泵的壓力差最大值達到32.5 mm,較半球缺泵提高了80.56%。

圖11 壓力差試驗裝置和試驗結果

5 結論

(1) 基于鵝卵石表面結構能促進液體流動的特性,提出了一種類鵝卵石泵,理論分析表明流阻比越大,泵的輸出流量越高。

(2) 類鵝卵石泵的正向流阻系數小于反向流阻系數,驗證了類鵝卵石泵的可行性;類鵝卵石泵和半球缺泵的流阻比平均值分別為1.04和1.02,表明類鵝卵石泵的流體運輸能力優(yōu)于半球缺泵。

(3) 當驅動電壓為220 V時,半球缺泵的最大輸出流量為17.04 ml/min,類鵝卵石泵的最大輸出流量為24.98 ml/min,較半球缺泵提高了46.60%;半球缺泵的最大壓力差為18.0 mm,類鵝卵石泵的最大壓力差為32.5 mm,較半球缺泵提高了80.56%。