【摘要】：隨著生物、醫(yī)學、保健、化學、化工、安全監(jiān)測、航空航天等領域的飛速發(fā)展，對流控器件的集成度和流體輸送的精密度提出了更高的要求，傳統(tǒng)的電磁泵由于結構原理的原因已不能滿足科學研究和工程實踐的特殊需要。結構簡單、體積小、重量輕、耗能低、無噪聲、無電磁干擾的無閥壓電泵就是在這樣的背景下應運而生的。由于其廣闊的應用前景，自1993年瑞典的E Steme提出并發(fā)明第一個無閥壓電泵以來，各種新原理、新結構的無閥壓電泵不斷涌現(xiàn)出來，現(xiàn)已成為世界各國研究的熱點問題。但目前的無閥壓電泵由于其固有的回流現(xiàn)象嚴重、流動波動大、流量小、效率低等問題，距離實際需求尚有一定的距離�；谏鲜鲅芯楷F(xiàn)狀，在國家自然科學基金的資助下，本文開展了具有原始創(chuàng)新和完全自主知識產權新型無閥壓電泵的探索性研究，主要研究內容如下： 1.受到魚尾擺動的啟發(fā)，首次提出了在泵的分類學上既不屬于容積型又不屬于回轉型的柔性尾鰭結構壓電層合振子無閥壓電泵；研制了樣機，進行了泵流量測試、振子的仿真與測振、流場模擬等研究工作；實驗結果表明，通過在振子的端部構造柔性尾鰭，并做適當?shù)慕Y構優(yōu)化后，單位面積壓電陶瓷片產生的泵流量較無柔性尾鰭時提高了43倍；和傳統(tǒng)的容積差型無閥壓電泵相比，具有流量大、流動脈動小、無回流現(xiàn)象等優(yōu)點。 2.研究了壓電振子在水中的絕緣、壓電振子的工作空間、柔性尾鰭的結構、壓電層合板梁的構成形式、基體和陶瓷片的厚度比和振子-固壁距離等因素對泵性能的影響；建立了外電場激勵下壓電雙晶片的振動方程，分析了模態(tài)力的影響因素；基于最小作用原理，利用瑞利-利茲法給出了突變截面壓電層合梁模態(tài)振型的近似解；通過合理的選擇容許函數(shù)序列，模態(tài)頻率近似解逼近實驗結果，顯示出較好的一致性，二階諧振頻率的相對誤差為2.1%。 3.針對壓電層合振子（單晶片和雙晶片）浸沒在泵腔內容易出現(xiàn)的陶瓷片電極層破壞、流體電離和流體溫升等問題，提出并設計了能夠實現(xiàn)干濕分離的仿尾鰭變截面擺動振子壓電疊堆泵；對振子工作在泵腔內和近似無限水域（水槽）分別進行了泵水能力測試；80V電壓激勵下，振子工作在水槽中，一、二階彎振的模態(tài)頻率分別為680Hz和1370Hz，30mm水柱被壓下，泵的最大流量可達560mL/min；振子工作在泵腔中，一、二階彎振的模態(tài)頻率分別為617Hz、1356Hz，泵的最大流量為400mL/min；對影響泵性能的關鍵結構參數(shù)——柔性尾長和振臂長度，進行了實驗研究；結果表明，諧振頻率隨柔性尾長的變化規(guī)律符合線性振動理論；但端部振幅隨柔性尾長和振臂長度的變化卻呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢；通過建立擺動振子的偽剛體動力學模型，從理論上分析了振臂和柔性尾鰭之間的弱耦合關系。 4.提出了仿尾鰭泵的工作機理，解釋了產生單向流動的主要動力是來源于振子周圍流體隨振子做圓弧擺動而受到的離心力；從動量的角度分析了擺動振子和流體微團之間的相互作用并給出了泵流量的解析式。
【學位授予單位】：南京航空航天大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2012
【分類號】：TH38
【圖文】：

L.Smith和AHok的被動閥

圖 1.3 L. Smith 和 AHok 的被動閥 圖 1.4 H. Yang 提出的雙晶片被動閥B. Li 等（2003 年）開發(fā)了帶有高頻高壓微被動閥的壓電泵（見圖 1.5）[25]。其新型的十字形微閥區(qū)域用于增大閥結構的剛度，壓力可達到 10 MPa；機械泵閥制動器使得閥區(qū)域在極端高壓的條件下失效。閥區(qū)域是在硅基板上用電化鎳制作而成的，工作頻率可在 104Hz 以上；閥渠道由深度反應離子刻蝕加工而成，閥總重為 0.2 g，集成在緊湊型壓電泵中，在 3×105Pa 背壓下流量達到 18 mL/min，當工作頻率 10 KHz 時壓差為 2.4 MPa。圖 1.5 緊湊型壓電泵的被動微閥曾平、劉國君等（2005 年）提出了球閥式壓電泵（圖 1.6）[26], 并分析了球閥式壓電薄膜

【參考文獻】

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本文編號：2726600