（机械工程专业论文）平面螺旋流管无阀压电泵的研究.pdf

南京航空航天大学全日制专业学位硕士学位论文 摘要 随着微机电系统技术的发展其散热问题日益引起人们的关注，而在工业上广泛应用于传热、 传质的螺旋流管技术由于其传输介质需要附加驱动源，限制了其应用范围；本文将压电驱动技 术和螺旋流管的结构优点进行结合，提出了一种结构紧凑、无电磁干扰、可微小型化的新型的 压电泵结构平面螺旋流管无阀压电泵结构。 本文主要的研究内容和成果如下： 对流体在平面螺旋流管往返流动阻力不同的特性研究方面，推导了反应该特性的理论公式， 通过有限方法研究了平面螺旋流管长度和通过速率对于往返流动特性的影响。通过实验研究， 证明了理论推导和有限元分析的可信性。 在泵理论分析和数值模拟研究方面，推导了泵的理论流量公式，建立了泵的三维有限元模 型并进行计算，研究了平面螺旋流管长度对于泵流量的影响。 在泵实验研究方面，研究了驱动电压、频率以及平面螺旋流管长度对于泵性能的影响，验 证了泵流量理论分析正确性和仿真结果的有效性。并根据流体在该泵的平面螺旋流管的运动特 性，进行了陀螺实验性质的转动实验研究；实验结果显示该泵具有陀螺感受角度转动的特性。 研究表明平面螺旋流管无阀压电泵在兼具了螺旋流管和无阀压电泵的特点，并具有感受外 界转动的角速度陀螺性质，因此可以进行液体输送、散热等功能器件的设计和新型液体压电陀 螺的设计。 关键词：平面螺旋流管，无阀压电泵，陀螺，流体，传输。 本文工作得到国家自然科学基金( 5 1 0 7 5 2 0 1 ) 资助。 本文工作在机械结构力学及控制国家重点实验室完成。 平面螺旋流管无阀压电泵的研究 a b s t r a c t w 曲i ed e v e l 叩m e n t0 fm e m st e c l l i l 0 1 0 影，也e 胁d i a t i i l gc a u s e dm o 陀柚dm o 陀a t t e n t i o n i r l c r e 嬲i i l 百y t h es p i i 锄p i p ei sw i d e l yu s e di nh e a tt l i m s p o na n d 仃锄s m i s s i o ni ni n d u 蛐叮，b u t 廿l e d e f i e c tt 量l a ti t s 胁s m i s s i o nm e d i u mn e e do fe n e r g yi n p u t ，l i m i ti t a p p l i c a t i o na i l dd e v e l o p m e n t b 私e dt i l ec h a i m c t e r so f 砌v e l e s sp i e z o e l e c t r i cp u m p 锄ds p i r a ip i p ei n 廿l e i r 蛐舢咖r e s ，w ep r o p o s e d an o v e lt y p eo fv a l v e l e s sp i e z o e l e c t r i cp u m pw i t i lp l 狮a rs p i r a lp i p ei n l i st l l e s i s t h em a i nr e s e a r c h a c h i e v e m e n t sa n d ，o r ka r es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： i n 廿l e 鹊p e c to fn l ep i 证c i p l eo ft l l en u i dn o wi i lm es p i r a lp i p e ，f 0 r m u l 雒f o rt 1 1 ec h a m m e ro f f l u i df l o wi i lt l l es p i 豫lp i p ea r ed e d u c e d 1 1 l ee 行e c t so f u 他l e n g mo f s p i r a lp i p e 锄dt h ev a l u e0 f n o w v e l 0 c 时0 n l ec h a m c t e r h a v eb e e ni n v e s t i g a t e d b o t l lt 1 1 ef e mm o d e lf o rf l o wi n 把s p i r a lp i p e 锄d 口q p e r i m e n t a j 坞s u l t sv e r i 矽t l l ec o r 他c t l l e s so f 也e o r e t i c a l 锄面y s i s i i l 廿l e 鹤p c c to ft l l ef l u i d 锄a l y s i so n 廿1 ev a l v e - l e s sp i e z o e l e c t r i cp 啪pw i mp l 锄a rs p i r a jp i p e ， f i r s t l y 也ef o l 咖u l at 0c a l c u l a t e 协ef l o wr a t ei sd e d u c e d a n dt h b u i l d 廿l ef e mm o d e lf o rn u i d c a l c u i a 土i o n 觚d 锄蛳i so nm ep u m p ，锄dt l l ee 旋c t so f 也el e n g t l lo fs p i r a lp i p eo n 廿l ef l o w 眦eo f 廿1 ep 硼l ph a v eb e e ni n v e s t i 髻l t e d i i it l l e 嬲p e c to fe x p e n m e n t a lr e s e a r c ho nt h ev a l v e - l e s sp i e z o e l e c t r i cp u m pw i mp l 锄盯s p i r a l p i p c ，t l l em a i l le x p e r i m e mr e s e a r c hi sa b o u t 廿l ee 毹c t so fv o l t a g e 、觑q n c y 锄dn l el e 嘻ho fs p i r a l p 啦0 nn 地。啦u tc a p a b i l 姆0 f p u r r 巾也ee x p 甜m e 鹏v 商鸟屺v a l i d 时o f m e 蕾哦n u l a0 f f l o wr a t e 觚dt i l es i i i l u l a t i o nr e s u l t s ；觚dw o r k i n gp e r f 0 n i l a l l c eo ft l l ev a l v e l e s sp i e z o e l e c 仃i cp u m pw 油p l 狮a r s p i m lp i p ei s 缸胁e rs n l d i e d a n db 雏e d l ep r i n c i p l eo fn l en u i dn o wi i lm es p i r a lp i p e ，e x p e 血n e n t 0 ft l l ee 舵c 协o fm er 似i o n a lv e l o c n yo n l eo u 印u tc a p a b i l i 妙o ft l l i sp u n l pi sd e s i 印e d n l e e x p e r i m e n tr e s u ns h o w st l l ep u m ph 嬲廿l ep r o p e r t i e so fg ) s c o p et h a tc a ns e n s et l l ec h a n g e so ft i l e 删i o n a lv e l o c i 舡 a sm e n t i o n e da t o 、，e ，廿l i sr e s e a r c hi i l d i c 龇e st h a tv a l v e l e s sp i e z o e l e c t r i cp u m pw i t l lp l a n 盯s p i r a j p i p ec a i lc o m b i n et i l ec h a r a c t e r so fv a l v e l e s sp i e z o e l e c t r i cp u m p 距dp l 锄盯s p i r a jp i p et l l a t0 v e r c o m e a i l da v o i dt l l es h o n c o m i i l g so fm e 柏n s m i s s i o nm e d i u mi nm ep i p en e e de n e r 影i n p u t 锄dh a ss i m p l e s n l l 曲u r ee a s yf o rm i i l i a n l r i z a t i o n 锄di n t e 孕缸i o n na l s 0h 弱m ep r o p e n i e s0 f 影r o s c o p et h a tc a i l s e n t l l ec h 锄g e so ft l l er 咖i o n a lv e l o c i 劬s oi tc 锄b e 印p l i e di nt 1 1 ef i e l d so fn - 觚s m i s s i o na 1 1 dn e w g 即r o s c o p ed e s i g n k e yw o r d s ：p l 锄盯s p i r a lp i p e ，v a l v e l e s sp i e z o e l e c t r i cp u m p ，纣r o s c o p e ，f l u i d ，n 锄s m i s s i o n t h i ss u b j e c tw a sg r a n t e db yt h en a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o np r o j e c t 口r o j e c tn o 5 1 0 7 5 2 0 1 ) t h i sp a p e rw a sc o m p i 酣e di nt h es t a t ek e yl a b o 髓t o r yo fm e c h a n i 鹤a dc o t m lo f m e c h a n i c a ls t r u c t l l i s i i 南京航空航天大学全日制专业学位硕士学位论文 图清单 图1 1 压电振子式有阀压电泵3 图1 2 采用塑料被动阀的微泵3 图1 3 阚君武等人的有阀压电泵3 图1 4 压电叠堆驱动式主动阀压电泵原理及实物图4 图1 5e r i ks t e 咖e 发明的锥形流管无阀泵5 图1 6t 0 r s t e ng e r l a c h 的四方锥形流管无阀压电泵5 一图1 7 “y ”形流管无阀压电泵一6 一 图1 8 多个小锥形的涡旋阀6 图1 9 双环管道阀( t e s l a 阀) 6 图1 1 0 非对称群峰无阀压电泵一7 图1 1 1 四面体嵌块无阀压电泵7 图1 1 2 异型管无阀压电泵8 图1 1 3 立体螺旋流管散热器结构图9 图1 1 4i g 锄e 研究所研制的双平面螺旋散热器1 0 图1 1 5 立体螺旋流管无阀压电泵l l 图2 1 流体在曲管中往返流动的示意图。1 4 图2 2 平面螺旋流管示意图1 4 图2 3 坐标系示意图1 5 图2 4 曲率逐渐减少坐标系示意图1 7 图2 50 0 5 m s 流速往返流场分布。l8 图2 60 5 m s 流速往返流场分布19 图2 71 m s 流速往返流场分布19 图2 81 0 m s 流速往返流场分布1 9 图2 92 0 m s 流速往返流场分布2 0 图2 1 0 平面螺旋流管示意图2 1 图2 1 1 流动方向为曲率逐渐减小方向。2 2 图2 1 2 流动方向为曲率逐渐增大方向2 2 图3 1 泵体总体结构示意图2 4 图3 2 泵体结构爆炸图2 5 图3 3 泵下体结构示意图2 5 平面螺旋流管无阀压电泵的研究 图3 4 泵上体结构示意图2 6 图3 5 压电振子模型的几何参数2 7 图3 6 平面螺旋流管无阀压电泵工作原理一3 0 图4 1 湍流数值模拟类型图3 4 图4 2 平面螺旋流管无阀压电泵泵下体结构示意图3 5 图4 3 一圈平面螺旋流管无阀压电泵几何模型和有限元模型3 6 图4 4 压电振子振动阶段划分3 8 图4 5 一圈平面螺旋流管无阀压电泵一个工作周期内中心截面流场图3 9 图4 6 平面螺旋流管无阀压电泵有限元图4 l 图4 7 平面螺旋流管转角一质量流量曲线4 2 图5 1 样机泵下体及其加工的不同长度的螺旋流管槽。4 4 图5 22 圈平面螺旋流管样机泵一4 4 图5 3 信号发生器、低频功率放大器和压电泵样机一4 4 图5 4 实验测量装置示意图4 5 图5 5 频率对0 7 5 圈平面螺旋流管无阀压电泵输出压力差的影响4 5 图5 6 工作频率对1 圈平面螺旋流管无阀压电泵输出压力差的影响一4 6 图5 7 频率对1 5 圈平面螺旋流管无阀压电泵输出压力差的影响一4 6 图5 8 频率对2 圈平面螺旋流管无阀压电泵输出压力差的影响4 6 图5 9 频率对2 5 圈平面螺旋流管无阀压电泵输出压力差的影响4 7 图5 1 0 频率对3 圈平面螺旋流管无阀压电泵输出压力差的影响4 7 图5 1 1 驱动电压对o 7 5 圈平面螺旋流管长度样机泵输出压力差的影响4 8 图5 1 2 驱动电压对1 圈平面螺旋流管长度样机泵输出压力差的影响4 9 图5 1 3 驱动电压对1 5 圈平面螺旋流管长度样机泵输出压力差的影响4 9 图5 1 4 驱动电压对2 圈平面螺旋流管长度样机泵输出压力差的影响4 9 图5 1 5 驱动电压对2 5 圈平面螺旋流管长度样机泵输出压力差的影响5 0 图5 1 6 驱动电压对3 圈平面螺旋流管长度样机泵输出压力差的影响5 0 图5 1 7 螺旋流管长度平面螺旋流管无阀压电泵的输出压力差5 l 图5 1 8 实验设备及连接图5 2 图5 1 9 转速一压差5 3 南京航空航天大学全日制专业学位硕士学位论文 表2 1 一圈长度平面螺旋流管不同速度进口往返流动特性一2 0 表2 2 曲管长度对平面螺旋流管往返流动特性影响( m s ) 2 1 表2 3 曲率逐渐减少方向的实验数据( a 口流向b 口) 2 2 表2 4 曲率逐渐增大方向的实验数据( b 口流向a 口) 2 3 表4 1 平面螺旋流管的固定及可变的尺寸参数3 5 表5 1 各样机泵最佳工作频率和性能特性4 7 平面螺旋流管无阀压电泵的研究 相对介电常数 介质损耗角正切值 机械品质因数 机电耦合系数 压电应变常数 轴向应变 径向应变 环向应变 径向应力 环向应力 剪应变 螺旋线基元半径 压电陶瓷层厚度 螺旋线半径 螺旋线转角 角速度 厚度之比 转动角速度 密度 泵的吸程瞬时流量 泵的排程瞬时流量 径向速度 注释表 曩 疋 毛 d 3 r u 岛1 名 f s w o w 艿 6 衅 p 心 熊 x 1 ， 金属基板层应变能 压电陶瓷层应变能 电场强度 电位移 总动能 电压 压电常数 正流平均速率 反流平均速率 管道面横截面积 中心点振幅 挠度 振动位移 频率 矩形截面边长 直径 地球自转角速度z 向分角速度 压强 压强变化值 倒介电常数 液面变化值 轴向速度 s 刚 q k d 瓯 s 品 i 乃 y 口 6 r 秒 c = 国 p 鲸 鲰 “ 南京航空航天大学全日制专业学位硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 流体机械是人类发明的最早的机械之一，也是目前应用最广泛的机械之一，这是由于人类 生活和生产均离不开流体，包括液体和气体所决定的。最常见的液体是水，最常见的气体是空 气。人类每分每秒都离不开水和空气。人类本身和周围的流体产生联系主要是通过流体机械。 随着人类生产和生活的范围加大，流体机械会不断发展，新的流体机械会不断出现，从能量的 观点来说，流体机械可以分成两类，一种是利用流体的能量对流体机械做功，例如水轮机利用 水能，汽轮机利用蒸汽的能量带动发电机发电，燃气轮机利用燃气的能令，喷气发动机利用燃 气的能量提供动力，也称为流体动力机械；另一种是通过流体机械把原动机的能量传递给流体， 使流体大的能量提高，泵就是这类机械，泵是输送液体或使液体增压的流体机械。在早期的人 类社会活动中，波斯水车、辘轳等各种提水的流体机械已经在他们的生活生产中出现，伟大的 科学家阿基米德在公元前3 0 0 年发明的螺旋杆泵，已经能够将水提至几米的高处。这些先前的 泵结构简单而且耐用。1 7 0 0 年随着蒸汽机等动力机械的发明，拓宽了泵的应用领域和类型。比 如射流泵、排涝泵、深进泵、潜水电泵、隔离泵等。这些泵在设计制造等均已经非常成熟【l 。2 1 。 但由于这些流体泵的原理和本身结构的限制，使得难以满足日益发展的新型工程领域的应用， 比如在航天飞机、人造卫星、医疗机械以及微机电系统中，上述泵的机构体积较大，而且需要 外部的能源输入、易受到电磁的干扰、不容易进行微流量的输送控制，所以难以满足上述领域 的需要。 随着材料科学、机械科学的不断发展，使得流体泵这种古老的机械焕发出新的活力，新结 构新工作原理的泵相继出现舯】。压电泵便是近年来新发明的一种流体泵。与传统泵相比，由于 压电泵具有自驱动功能，能够把执行器与驱动器兼具于一体，所以克服了流体泵内运动部件做 相对运动所附带的流体泄漏、压力损失、磨损等缺点。其次压电泵的主要能量输入是采用了具 有压电效应的压电材料，通过利用压电材料设计出压电振子，根据压电材料逆压电效应进行能 量转换，由于压电泵所使用的压电驱动器在驱动电信号发生变化时，压电驱动器能够做出及时、 准确的反应，所以压电泵还具有响应迅速并且可以通过调节电压或频率来控制输出流量与压力。 压电泵是集驱动部件、工作部件和控制部件于一体的便于集成的微型泵，具有结构简单、 响应速度快、体积小、无噪音、无污染等优点，因此可广泛应用于航空航天器、机器人、汽 车、医疗器械、微机电系统等方面，它高效、节能、环保，将促进相关产业的技术革命，积 极推动工业产业链的形成和发展，社会及经济效益极其显著。未来压电泵发展方向主要包括两 个方面，一方面向是研究高压、大流量的压电泵，这种泵体积一般较大，可以用于对大量液体 平面螺旋流管无阀压电泵的研究 供给传输方面的设备装置等【5 叫；另一方面是研制微小化、结构简单、低能耗、高输出精度的压 电泵，可以进行微机电系统的集成和合装应用于机械系统的散热、供给、传输等。 1 1 1 压电泵的分类 压电泵是一种新型的泵，根据不同的原理和结构可以分成很多种类【5 1 们，根据采用的驱动 器可分为压电晶片式压电泵和压电叠堆式压电泵；按泵腔的形式可以分为单腔体和多腔体压电 泵：从泵级联形式可以分为串联型和并联型压电泵；根据压电振子的换能方式，可以分为压电薄 膜泵和压电超声泵，压电薄膜泵是利用压电振子的机械变形来改变泵腔体积，通过阀或者流阻 差部件对流体流动的作用，使泵中的流体产生单向流动；压电超声泵主要是利用压电振子在驱 动信号下产生的超声波对流体的蠕动式的驱动来实现流体的单向流动，不需要阀体结构就能实 现泵的功能。 压电薄膜泵根据不同的分类方法可以分成不同的类别，根据驱动元件分为压电片驱动式泵 和压电叠堆驱动式泵；根据有无阀体结构分为有阀压电泵和无阀压电泵；其中有阀压电泵根据 阀体的控制方法又可以分成主动阀式和被动阀式压电泵；无阀压电泵根据流阻差结构又可分为 锥型管无阀压电泵、异型管类无阀压电泵等。 1 1 2 压电泵的国内外发展现状 ( 一) 有阀压电泵 压电泵的最早的结构类型就是有阀压电泵，通过被动阀式和主动阀式的类别对有阀压电泵 进行介绍。 ( 1 ) 被动阀压电泵 在1 9 7 8 年，日本学者樽崎哲二首先提出了最初的压电泵结构【l l 】。该泵主要包括三个部分 单向阀、压电振子、泵体，其结构示意图如图1 1 所示。由于压电振子的往复弯曲变形振动， 引起了泵腔容积的变化使得腔体内外压力的交替变化，从而使得单向阀产生相应的开启和关闭， 通过单向阀对流体的控制使得泵形成单向流动。但是单向阀的开启和关闭是受到泵腔容积变化 影响的，而且滞后于压电振子的振动，导致该类型泵具有滞后性。日本铃木胜义等人对这种有 阀压电泵进行了一系列的试验研究1 2 】，实验结果表明，该泵的最佳频率为2 3 h z ，输出流量最 大能达到为1 1 0 m i n ( 1 2 0 v ) 。 2 南京航空航天大学全日制专业学位硕士学位论文 单向阀 过删浏妙懋 ，、 惑测志蕊 泵体压电振子 图1 1 压电振子式有阀压电泵 。 1 9 9 9 年，荷兰的学者s e b 刎锄b o h m 发明了采用塑料被动阀的微泵，该类型的微泵主要结 f 合了传统压电泵的原理、结构进行微小型化的设计。如图1 2 所示，改泵在驱动器驱动的情况 下进行工作1 12 1 。 西卫 露鬟麓 图1 2 采用塑料被动阀的微泵 2 0 0 4 年，吉林大学阚君武教授通过在传统有阀压电泵内部引入悬臂梁结构设计出悬臂梁式 有阀压电泵【13 1 。其原理如图1 3 所示，内部的悬臂梁长为2 5 m m ，泵流量最大能达3 5 m l m i i l 。 76s432l 蝴。二( ! ，二。 xx ，xr ，ll x x x x 1i li ili 山j ，” ， l i lil i1 攀删一鳓啪粼掣 脸蚓 7 c 卸l i k v c r v a l v es 髓1 a ) 悬臂梁式压电泵原理图 b ) 悬臂梁式压电泵结构图 图1 3 阚君武等人的有阀压电泵 平面螺旋流管无阀压电泵的研究 ( 2 ) 主动阀压电泵 被动阀压电泵由于阀体的关闭和开启受到了压电振子振动的影响，一般都存在着阀体的反 应滞后，以及流体从阀体倒流的现象，影响了泵的性能，为了克服这些缺点所以在2 0 0 4 年，美 国加利福尼亚大学研制了一种主动阀压电泵【l4 1 ，如图1 4 所示。该泵主要是安装了压电叠堆和 压电单晶片主动阀结构，在压电叠堆的尾部连接有一个隔膜，当压电叠堆振动时会带动隔膜上 下一起振动，那么泵腔内容积就会变化。当给压电单晶片主动阀施加电压时，压电单晶片会主 动开启或者闭合，反应比较迅速，减小了被动阀的滞后性，当然回流的现象也的得到很大改善， 压电泵安装单晶片主动阀的大致频宽在1 5 l ( h z ，经过试验研究，随着工作频率增加，流量也越 大，两者成正比关系。当在1 0 0 h z 时，流量为0 。3 2 m l s ；l l 【h z 时流量为3 4 m 1 s 。零流量状态 时的输出压力可以达到8 3 m p a 。 艨电叠堆 p z w t l 0 0 压电爱堆驱动器 乜陶瓷理 褪基板堪 ( b ) f k 毡裂鼢露j 栩矧 图1 4 压电叠堆驱动式主动阀压电泵原理及实物图 ( 二) 无阀压电泵 1 9 9 3 年，瑞典的e r i k s t e m m e 等人创造性地发明了一种新型的无阀压电泵【”j ，如图1 5 所 示。该无阀压电泵主要特点是利用圆锥形流管结构，当流体通过该流管时往返的流动流阻不同， 其流阻主要是因为扩张管和收缩管对流体流动的影响，利用了这一特点，设计出来的一种新型 的无阀体的压电泵。其工作原理是，当压电振子向上振动，泵腔内的容积增大，进口和出口两 个管道流体在负压的作用下，管道进入泵腔，但是由于通过的锥形管的方向不同，一个是扩张 一个是伸缩，使得进入泵腔的流体流量不同，在一定锥角内，扩张管也即是进口进入的多，伸 缩管出口进入的少，当压电振子向下运动时，泵腔容积减少，腔体内的流体向外流出，此刻扩 张管成为了伸缩管，伸缩管成为了扩张管，那么从泵腔流出的流体流量也不相同，扩张管进口 4 南京航空航天大学全日制专业学位硕士学位论文 流出的少，伸缩管出口流出的多，在宏观上就是单向流动的形成，也即形成了泵的功能，该类 型泵的设计成功，使压电泵进入到无阀阶段。无阀压电泵消除了有阀压电泵的阀体结构，减少 了压电泵由于受到阀体的影响而导致的滞后性。 p u m pu i s p n r a g m ，p l c z o c l c c 【n cd i s c ( ”i6m m ) 嘶“吣= o ：咖l 、c h a r n 【) c r ( 卯1 9n l m ) 卜_ _ - l卜 l卜o j ， 1 河 礴形j f r 叫n l ph o l 1 9 0 j ：拜鲞。篡怒 卜 d i f l l l ，c r ，【cfl 图1 5e r i ks t 咖e 发明的锥形流管无阀泵 1 9 9 5 年，德国的t 0 r s t e n g e r l a c h 等人在硅板上研制出一种新型的微型无阀压电泵。随着微 机电技术和微细加工技术的发展，推动了微结构器件和作动器的研究和发展，这位德国学者， 通过在硅板上加工出了微四方锥形流管并组装成无阀压电泵的结构【1 6 】，如图1 6 所示。这就是 他们加工出来微泵结构，也带了一个无阀压电泵的新的研究发展方向工。我们通过对比图1 5 和图1 6 可以发现，同一类型的锥形无阀压电泵，他们的进出口却是相反的，t 0 临晚lg e r l a c h 学者认为e r i ks t e m m e 的压电泵体积较大是出现这个现象的主要原因( 泵腔尺寸为1 0 1 0 ( 0 4 0 7 ) m m 3 ，并且进出口采用的锥形管道是细长形的) 。吉林大学压电驱动课题组对这个 问题进入了深入的研究，通过一系列的实研究得出锥形管的角度对于锥形管无阀压电泵的出口 方向有直接关系，当锥形角小于2 0 。时扩张管为出流口；锥形角在2 0 。1 2 0 。之间时收缩管 是出流口。 图1 6t 0 r s t e ng e r i a c h 的四方锥形流管无阀压电泵 5 平面螺旋流管无阀压电泵的研究 1 9 9 9 年，张建辉教授等根据血管分叉原理设计出一种新型无阀压电泵“y ”形流管无 i 虱医电泵l l7 2 0 j ， 图1 - 7 ( a ) 所示) 为“y ”形流管几何结构模型图。其工作原理主要是利用了y ” 形流管正向流动和反向流动的流阻不同。相对于锥形流管压电泵中的锥形流管来说来说，“y ” 形流管中的流场比较缓和涡含量也相对较低。这样对长链高分子、活体细胞等领域( 如生物工 程中) 的输送过程中起到了保护作用，降低了细胞和长链高分子因为湍流等复杂流场的影响失 去其机能的的风险，基于其泵体的结构特点，能够以微加工方式进行微机械设计，从而实现微 小形化，这使得该泵能够在医疗、生物医疗等领域进行细胞等高分子的输送。 ( a ) “y ”形流管( b ) “y ”形流管无阀压电泵 图1 7 “y ”形流管无阀压电泵 2 0 0 2 年，i v 锄oi 及。等人利用锥形流管无阀压电泵的原理，设计出一种异形无阀压电泵，主 要是在在锥形流管的侧壁上连续加工出多个小的锥形流道【2 1 。2 2 1 ( 见图1 8 ) ；图1 9 所示为n i c o l a t e s l a 发明的一种异形流管道，并设计出一种新型的无阀压电泵( 简称“t e s f a 阀”) 【2 。 岭峨 晌流动流沮小 反向流动漉毽大 图1 8 多个小锥形的涡旋阀图1 9 双环管道阀( t e s l a 阀) 2 0 0 5 年，张建辉教授利用非对称坡面对流体的往返流动引起的湍流不同，而设计出一种新 型的无阀压电泵团硒j ，该泵的主要部件是非对称坡面结构，它对流体的变流作用，使得流体在 泵腔内部形成多重湍流，能够对不同浓度粘度以及比重不同的流体进行混合搅拌并集传输于一 体的无阀压电泵，而且通过调节非对称坡面的结构块在泵腔内不同的角度实现混合的精度不同， 混合的程度的控制【2 2 。2 引，如图1 1 0 所示。其中“非对称坡面”结构安装在泵腔的底部，进出 口分别再非对称坡面的结构的两端。其原理和一般的无阀压电泵类型，利用的是非对称破面的 对流体往返流动的阻碍不同，从而使得在一个周期内有一个流体流量从进口运动到出口的单向 6 南京航空航天大学全日制专业学位硕士学位论文 流动。 23 4 5 6 1 、泵体，2 、压电振子，3 、波纹腔底，4 、压紧块，5 、泵盖，6 、导管 图1 1 0 非对称群峰无阀压电泵 2 0 0 6 年，南京航空航天大学张建辉教授等利用了流体通过四面体嵌块的棱面与正面受到的 流动阻力不同的现象设计出一种新型的可旋转多嵌块无阀压电泵【2 6 1 。其结构如图1 1 l 所示。 、。 一j 一； 誓薯舅，| 掌雩霉5 j i 弘 i ； “，m 。、 ( a ) 四面体嵌块结构图( b ) 四面体嵌块无阀压电泵结构图 ( c ) 四面体嵌块无阀压电泵剖面图 图1 1 l 四面体嵌块无阀压电泵 美国华盛顿大学f r e dk f 0 r s t e r 等设计出一种新型的无阀压电泵，该泵的主要特点为采用了 t e s l a 异形流管阀2 7 锄】。其结构如图1 1 2 所示，主要包括压电振子( 白色区域) 、阀和泵腔( 黑 7 平面螺旋流管无阀压电泵的研究 色区域) 、灰色区域是导电环氧树脂、箭头为单向流动方向。 t b s 粒x 己 图1 1 2 异型管无阀压电泵 除了此之外还有很多其他类型的压电泵，比如利用液体粘度对温度的依存关系日本 a i s m 1 r i 机械工程实验室的s m a t s u m o t 0 等设计出温控无阀双向流体压电泵【2 9 j ，还有压电泵 螺杆泵、压电超声泵等【雏3 6 】。随着时间的前移，对压电泵的研究会越来越深入，其性能也会得 到不断改善和提高。相信有一天压电泵一定会成为家喻户晓的工业产品。 1 2 螺旋流管技术简介 螺旋一词来源于希腊文，它的初始意思是“旋卷”或“缠卷”。例如，一个固定点开始向外逐 圈旋绕而形成的曲线就是平面螺旋线。古希腊伟大的数学家阿基米德在2 0 0 0 多年以前就开始对 螺旋线进行了研究，阿基米德螺旋线便是以他名字命名的，以表彰他在螺旋线这个领域研究的 贡献。在1 6 8 3 年，数学家笛卡尔首先描述了并且列出了对数螺旋线的解析式。更有趣的是瑞士 数学家雅谷- 伯努利，在逝世前请人在他的墓碑上刻了一条蜗牛屋形对数螺旋线，并幽默地 写上“我将按着原来的样子变化后复活”的墓志铭【3 7 】。螺旋线除了上述两种还有双曲螺旋线，费 马螺旋线，渐开线，连锁螺旋线等。 螺旋线组合在一起就是螺旋管，由于螺旋管优越的结构特性使得它在动力工程、化工工业、 石油及核工业等重要领域得到了广泛的应用1 3 ”9 1 。由于螺旋流管的广泛应用，很多学者和研究 结构对于螺旋流管技术的进行了深入的研究；螺旋流管技术研究主要涉及到流型研究、压降特 性研究、强化传热研究等诸多方面。在流型研究方面，1 9 2 7 年d e 趾学者发现了螺旋流管内二 次流的存在拉开了对于螺旋流管流型研究的序拶4 们，正是因为螺旋管可以在管道内部形成与管 的轴向垂直的二次流动，而且这种二次流动与轴向主流复合成螺旋式的前进运动这样对于流体 的传质功能来讲具有增强作用，因为流体不仅有径向扩散还有径向二次流的对于边界层的破坏， 这种破坏增强了流体在层流运动的混合，就会提高传质效果。螺旋管的通用优越性不仅于此， 它在许多的实际应用方面还有其他的特殊作用，在天然气、石油工程、化工工业、电力工业等 都获得了广泛的应用。如图1 1 3 所示为运用螺旋流管进行散热结构的设计。近年来，许多研究 者将螺旋管技术进行了进一步的研究和开发，在中空纤维传质分离、纳滤、渗透等都取的了不 受 南京航空航天大学全日制专业学位硕士学位论文 错的效果h 1 1 。 注：1 、换热壳体，2 、螺旋流管，5 、壳盖，6 、冷流体的进口，7 、热交换后出口，8 、 热流体的进口，9 、热交换后出口。 图1 1 3 立体螺旋流管散热器结构图 由于螺旋管其优异的结构特性，所以如果能够把螺旋流管微型化，则可以使得其具有更广 泛的用途比如微机械的器件的散热h 2 躬l 、不同流体的微量的混合、搅拌和传输等。但是实现这 些功能的前提都是要给流质附加动力源，需要额外设计出能源输入机构，使得整个结构变的复 杂，因而限制了其应用的范围有其是在微机械领域。如图1 1 4 所示为i g 锄e 研究所基于平面螺 旋流管结构研发的一种新型的散热器，4 根散热直管连接到平面螺旋流管上进行热交换，迅速 抽取核心热量进行均匀散热。 9 平面螺旋流管无阀压电泵的研究 图1 1 4i g 锄e 研究所研制的双平面螺旋散热器 根据螺旋管的特性和当今技术的发展，本文认为，螺旋管的方向主要包括如下方面，第一， 大型化和微小型化，大型化是在一些大结构空间进行散热和热交换，比如大型的锅炉，高温作 业需要散热的地方，小型化主要是在一些特殊的工作环境，比如笔记本电脑，微型卫星等工作 效率要求高，需要散热的地方；第二，螺旋管的新型材料的研发，螺旋流管的材料向着换热率 较好，材质轻，生产简单，成本低廉的方向发展；第三，螺旋管内的流体特性的研究，现在螺 旋管内流体的流动参数都是在经验和少数实验中得到的，误差比较大，不能真正的反应出流体 在螺旋管的真实的流动特性；第四，螺旋流管和驱动源集成构成的螺旋泵体也是未来的发展方 向之一，可以构成新型的散热或者微滤等器件。 1 3 陀螺技术简介 陀螺是一种高科技的姿态传感器，大部分都用在国防以及重要的姿态测量领域，国内陀螺 的发展由于受到成本和技术的限制，主要是通过向国外购买获得。但随着科学技术的快速进步， 陀螺成本与技术壁垒的坚冰正在被逐渐融化。今天陀螺已被广泛应用到包括工业生产、通讯设 备、遥控玩具等诸多领域。随着市场需求的进一步扩大，陀螺因受到成本与技术的双重限制无 法满足目前的需要和应用。因此，研究并开发具有新原理、新方法、新工艺的陀螺，降低生产 成本、减小技术壁垒是市场的迫切需求。陀螺种类虽然很多比如转子陀螺( 液浮陀螺、气浮陀 螺、磁浮陀螺等) 、挠性陀螺、光学陀螺( 激光陀螺、光纤陀螺等) 、振动陀螺和微机械陀螺但 在新型的压电液体陀螺研究却很少【4 4 4 6 1 。2 0 0 1 年张建辉教授利用流体受作用于地球自旋分力 ( 哥氏力) 的原理发明了使两只联通的互为倒置的立体螺旋管在压电振子的作用下的无阀压电 泵( 见图1 1 4 ) 。这种泵的流动功能能对地理位置以及泵自身的姿态敏感【4 ，也即具有陀螺的 性质。 l o 南京航空航天大学全日制专业学位硕士学位论文 、 j 1 1 卜2 平面螺旋流管无阀压电泵的研究 构部件，其次由于流体在螺旋管道的受到科氏力影响的流动特性通过改变螺旋管道的物理工作 状体时，科氏力对流体在螺旋管道的流动的影响，进行新型液体陀螺设计的基础性研究。 迄今为止，关于无阀压电泵研究中，锥形流管无阀压电泵的研究是较为充分的，成果也是 较多的【3 5 4 3 1 。但是对锥形流管无阀压电泵进行传质散热时候仍然需要外接流体传输的管道或者 装置，增加了结构复杂性，以及稳定性，其次对于螺旋流管的工业应用，仍然需要给予流体附 加驱动源，增加了结构复杂性和成本。本文基于此提出一种新型的无阀压电泵结构平面螺 旋流管无阀压电泵结构。“ 本文的研究内容包括： 第一章绪论。概述了压电泵的功能、特点、分类以及国内外发展现状以及螺旋流管目前 的应用技术和存在的不足，其次对于目前陀螺市场进行了部分介绍以及新型液体压电陀螺结构 的研究介绍。归纳出螺旋管在进行传质，散热等所具有的优点和缺点，并根据无阀压电泵和平 面螺旋流管的优点提出了一种新型的无阀压电泵结构平面螺旋流管无阀压电泵结构。 第二章对流体通过平面螺旋流管往返的流动阻力不同特性的研究。对曲管内的流体流动特 性进行了介绍，并对平面螺旋管道的往返流动特性进行了推论，推导出了流体在平面螺旋流管 往返流动特性不同的理论公式，并通过有限元方法，分析了平面螺旋流管长度以及流速率的大 小对于流体通过该类型曲管道的往返流动特性的影响。最后对于流体在平面螺旋管道的流动特 性进行了实验研究。 第三章平面螺旋流管无阀压电泵的结构设计和流量的理论推导。基于上一章流体通过平面 螺旋流管的往返流动特性的结论并依据无阀压电泵的结构特点进行了本泵的结构设计。推导了 泵用圆形压电振子振子中心振幅的计算公式，并根据结构设计出的泵体特点，对该类型泵的理 论流量进行了推导。 第四章平面螺旋流管无阀压电泵流场分析。介绍了平面螺旋流管无阀压电泵的工作原理。 建立了平面螺旋流管无阀压电泵在三维有限元模型，并建立了不同平面螺旋流管长度的该类型 泵的三维有限元模型，对该类型泵性能进行了有限元分析和计算，分析了该泵在一个周期内不 同阶段的流场分布，并对螺旋流管长度对该类型泵的性能影响进行讨论和分析。 第五章平面螺旋流管无阀压电泵的实验研究以及陀螺原理性实验的设计。搭建了对该泵性 能研究的实验平台，通过实验手段找出了各样机泵的工作频率，并研究了频率对于该类型泵的 性能影响：研究了驱动电压以及平面螺旋流管长度对各样机泵的性能影响。其次对于基于平面 螺旋流管阀压电泵的新型液体压电陀螺进了理论的分析和研究，根据该泵的特点设计了陀螺原 理性实验。 第六章结论。对于硕士期间的工作进行总结，并指出进一步研究的方向。 1 2 南京航空航天大学全日制专业学位硕士学位论文 第二章平面螺旋流管管内流体流动特性 平面螺旋流管是平面螺旋流管无阀压电泵的主要部件，因此对于流体通过平面螺旋流管的 流动特性尤其是流体在平面螺旋流管往返的流动过程中特性进行分析是必要的，也是对于平面 螺旋流管无阀压电泵进行流量推导的前提基础。平面螺旋流管是弯曲管道其中的一种结构形式， 流体在平面螺旋流管的流动的特点也是基于对于弯弯曲管道内流体流动特性进行研究的，所以 对曲管中的流体流动特性有必要进行介绍。 2 1 流体在曲管中的流动特性 弯曲管道由于其结构特点，在工业上得到了广泛应用比如在运输管道系统、液压控制管道 系统、冷却管道系统等方面的应用，这些系统均涉及到弯曲管道中流体流动对于整个系统的设 计和正常性能的影响的问题：目前还有不少文献报道，通过对曲线管道内流动的研究可以了解 人体血管内血液的流动状况，进而对血管疾病发生的位置进行预测，为寻求解决疾病方法提供 理论依据；在物质分离中，经常采用复杂的旋转螺旋管路系统，但是对于它的分离机理和设计 原理还未研究的清楚；对于一些运动的载具比如航空航天飞行器，其结构中供油管路系统在载 具翻转等运动时候，控制管路中流体流动产生怎么样的变化，以及对飞行器的性能和安全是否 有影响，均需要对曲管中流体流动进行一系列的研究1 5 8 】。 因此1 9 2 7 年d e a n 首先对曲线管道中的流体进行了理论的研列5 9 1 ，他解出了圆截面弯管内 流动的摄动解，得出一个对该流动状态唯一决定性影响无量纲参数d e 锄数，并且在理论上推导 出了曲管截面上存在二次流动。d e a j l 是曲管流动问题的开拓者和拓荒人