無(wú)閥氣體壓電泵仿真分析與實(shí)驗(yàn)

田曉超， 楊志剛， 吳 越， 王 銳， 楊樹臣， 于建群

(1.吉林大學(xué)生物與農(nóng)業(yè)工程學(xué)院 長(zhǎng)春，130025) (2.長(zhǎng)春大學(xué)機(jī)械與車輛工程學(xué)院 長(zhǎng)春，130022) (3.吉林大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院 長(zhǎng)春，130025) (4.長(zhǎng)春師范大學(xué)工程學(xué)院 長(zhǎng)春，130032)

引 言

壓電微泵具有尺寸小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、壽命長(zhǎng)、易集成和控制好等特點(diǎn)，主要應(yīng)用在氣體或液體監(jiān)測(cè)、微電子器件的冷卻、血液分析、微型燃料電池及藥物輸送等領(lǐng)域[1-3]。在這些領(lǐng)域使用的微泵已經(jīng)達(dá)到高流量小體積的要求，其中無(wú)閥氣體壓電微泵[4-6]備受關(guān)注。

Glezer等[7]利用壓電振子首次研發(fā)出了一種典型的無(wú)閥氣體壓電泵。該微泵的驅(qū)動(dòng)元件為壓電振子，沒有閥片，利用流體與周圍環(huán)境之間形成漩渦對(duì)，從而形成流體的持續(xù)出流能力。文獻(xiàn)[8]等設(shè)計(jì)了一種新型氣泵，該泵是用一種新型的合成射流激勵(lì)器集成一個(gè)綜合噴氣室和主噴射器來(lái)提高氣流速度。羅小兵等[9]提出一種新型結(jié)構(gòu)的無(wú)閥氣體微泵，該泵基于合成射流的原理形成對(duì)流體流動(dòng)方向的控制能力，對(duì)該泵工作的前半個(gè)周期和后半個(gè)周期建立模型進(jìn)行數(shù)值模擬，利用氣體慣量在兩個(gè)腔體流動(dòng)。羅劍等[10]對(duì)無(wú)閥氣體壓電微泵進(jìn)行多域耦合數(shù)值模擬，完成了無(wú)閥微泵的真實(shí)物理過程的數(shù)值仿真，分析激勵(lì)電壓和泵結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)泵性能的影響效果，為無(wú)閥壓電微泵的優(yōu)化設(shè)計(jì)與控制提供了參考。沈丹東等[11]對(duì)合成射流式無(wú)閥壓電泵進(jìn)行了結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用正交分析法并結(jié)合仿真軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)影響壓電泵性能的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。

筆者設(shè)計(jì)的無(wú)閥氣體壓電泵驅(qū)動(dòng)氣體主要是由密封腔內(nèi)壓電振子振動(dòng)在孔口邊緣產(chǎn)生反向旋轉(zhuǎn)渦偶的交互作用產(chǎn)生的。該結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、響應(yīng)迅速、適用于微小型器件的熱管理，特別應(yīng)用在功率器件、發(fā)光二極管(light-emitting diode，簡(jiǎn)稱LED)及芯片冷卻等場(chǎng)合。

1 系統(tǒng)工作原理與振幅測(cè)試

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

無(wú)閥氣體壓電泵的爆炸圖如圖1所示。該無(wú)閥氣體壓電泵主要由入口、出口、射流孔、壓電振子、泵蓋、壓蓋、泵腔墊圈、容腔墊圈及中間板等部分組成。壓電振子由壓電陶瓷與基板粘合而成，射流孔位于中間板的中心位置。容腔由壓電振子、容腔墊圈及中間板構(gòu)成。泵腔由中間板、泵腔墊圈和泵蓋組成。在泵蓋的4個(gè)側(cè)面有4個(gè)開口，在泵腔墊圈上有4個(gè)開口，與泵蓋的4個(gè)側(cè)面相對(duì)應(yīng)，構(gòu)成無(wú)閥氣體壓電泵的4個(gè)入口。射流孔和出口的軸線重合，壓電振子、容腔墊圈、中間板及泵腔墊圈依次處于壓蓋和泵蓋之間并用4個(gè)螺栓連接固定。

圖1 無(wú)閥氣體壓電泵爆炸圖Fig.1 Explosion diagram of valve-less gas piezoelectric pump

1.2 工作原理

圖2 無(wú)閥氣體壓電泵工作原理圖Fig.2 Schematic diagram of valve-less gas piezoelectric pump

無(wú)閥氣體壓電泵的工作原理如圖2所示，主要分為吸氣過程和排氣過程。壓電振子在交變電壓的作用下產(chǎn)生周期性振動(dòng)。在吸氣過程中，壓電振子向下振動(dòng)，容腔體積變大，壓力變小，泵腔中的氣體通過射流孔吸入到容腔中，但漩渦對(duì)在自身動(dòng)量的作用下已經(jīng)遠(yuǎn)離射流孔，不受其影響。在排氣過程中，壓電振子向上振動(dòng)，容腔體積變小，壓力變大，容腔中的氣體通過射流孔排出，在射流孔邊緣部位，氣體在強(qiáng)烈的剪切作用下發(fā)生了分離，形成射流，產(chǎn)生漩渦對(duì)。依據(jù)合成射流原理，形成的漩渦對(duì)對(duì)周圍氣體產(chǎn)生卷吸作用，并以自誘導(dǎo)速度向出口遷移，泵腔中的氣體通過出口進(jìn)入周圍環(huán)境，同時(shí)有氣體從入口進(jìn)入到泵腔中。該無(wú)閥氣體壓電泵在整個(gè)工作周期，無(wú)論是在氣體吸入過程還是排出過程，都有氣體從泵的出口排出，實(shí)現(xiàn)連續(xù)出流能力。

1.3 壓電振子振幅測(cè)試

利用激光測(cè)微儀測(cè)量壓電振子的振幅，測(cè)試裝置如圖3所示。壓電氣泵驅(qū)動(dòng)頻率為為400 Hz，得到壓電振子的振幅隨驅(qū)動(dòng)電壓的變化關(guān)系如圖4所示。可以看出，壓電振子中心點(diǎn)振幅隨著驅(qū)動(dòng)電壓的增加而增大，呈現(xiàn)很好的線性關(guān)系，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓為120 V時(shí)，壓電振子的振幅達(dá)到35 μm。

圖3 壓電振子振幅測(cè)試裝置圖Fig.3 Amplitude measurement device diagram of piezoelectric vibrator

圖4 壓電振子振幅隨電壓變化曲線Fig.4 Curve of amplitude variation of piezoelectric vibrator with voltage

2 仿真分析2.1 有限元模型建立

該無(wú)閥氣體壓電泵通過壓電振子與氣體相互作用實(shí)現(xiàn)氣體的連續(xù)出流能力，利用CFX軟件對(duì)其進(jìn)行仿真模擬。假設(shè)該無(wú)閥氣體壓電泵的泵體是剛性的，在此基礎(chǔ)上建立流體域的三維幾何模型，并對(duì)模型的邊界類型、初始條件及湍流模型等條件進(jìn)行設(shè)置。

該無(wú)閥氣體壓電泵的流體域主要由入口、出口、泵腔、容腔及射流孔等構(gòu)成。在建立有限元模型時(shí)，建立容腔模型、射流孔模型、泵腔模型和出口模型，各個(gè)模型均為圓柱狀且軸線均重合。建立泵腔模型時(shí)，在該模型的柱面均勻?qū)ΨQ布置4個(gè)進(jìn)口，4個(gè)進(jìn)口由4個(gè)對(duì)稱均勻布置的壁面隔開，這樣可以最大限度地模擬系統(tǒng)工作的實(shí)際情況。采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格模式對(duì)該模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖5所示。

無(wú)閥氣體壓電泵中壓電振子作周期性振動(dòng)，容腔先吸入氣體，然后再排出氣體，如此反復(fù)進(jìn)行。氣體在泵內(nèi)部的流動(dòng)狀態(tài)復(fù)雜，屬于非定常流動(dòng)，所以分析類型選擇瞬態(tài)模型。對(duì)壓電振子施加400 Hz的交流電壓，一個(gè)周期T=0.002 5 s，分析4個(gè)周期

圖5 壓電泵流體模型網(wǎng)格劃分Fig.5 Meshing of fluid model of piezoelectric pump

(4T)，所以計(jì)算持續(xù)時(shí)間為0.01 s，時(shí)間步長(zhǎng)為0.000 25 s。仿真中壓電振子的振幅A=35 μm。壓電振子振動(dòng)規(guī)律為Y=A[1-(r/a)2]2sin(2πft)，其中：a為壓電振子半徑；r為壓電振子某點(diǎn)到中軸線的距離。

2.2 仿真模態(tài)云圖

可以看出，在0T時(shí)刻，壓電振子處于向上運(yùn)動(dòng)階段并運(yùn)動(dòng)至平衡位置擠壓容腔，使容腔中的體積變小、壓力變大，氣體從容腔進(jìn)入泵腔形成射流產(chǎn)生漩渦對(duì)，壓電振子向上振動(dòng)速度最大，此時(shí)產(chǎn)生的氣流處于最大值，有氣體從氣泵出口排出。

圖6 仿真模態(tài)云圖Fig.6 Simulation mode cloud image

區(qū)域已經(jīng)離開泵腔位置并進(jìn)入出口中。此時(shí)有氣體從氣泵出口中排出。

從以上分析可知，該泵工作原理的本質(zhì)是利用壓電振子產(chǎn)生周期性振動(dòng)，引起容腔的體積發(fā)生周期性變化，從而產(chǎn)生漩渦對(duì)，利用合成射流的原理，將氣體從入口搬運(yùn)到出口，在氣體壓電泵的出口產(chǎn)生持續(xù)的出流能力。容腔在氣體移動(dòng)過程中起到了一個(gè)過渡容積的作用。

2.3 仿真結(jié)果分析

無(wú)閥氣體壓電泵的主要性能評(píng)價(jià)指標(biāo)是流量。選取對(duì)流量影響較大的4個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)分別為容腔高度H、泵腔高度h、射流孔直徑D和出口直徑d進(jìn)行單一變量法仿真分析。分析各個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)流量影響規(guī)律，結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖7所示。驅(qū)動(dòng)頻率為400 Hz，驅(qū)動(dòng)電壓為120 V。

圖7 結(jié)構(gòu)參數(shù)圖Fig.7 Structural parameter diagram

2.3.1 容腔高度

取容腔高度H分別為0.1， 0.2， 0.3， 0.4和0.5 mm，得到不同容腔高度下的流量變化曲線，如圖8所示。可以看出，無(wú)閥氣體壓電泵的流量隨容腔高度的升高逐漸降低，變化緩慢。當(dāng)容腔高度H為0.1 mm時(shí)，氣體流量達(dá)到最大，為1 810 ml/min。

圖8 流量隨容腔高度的變化曲線Fig.8 Variation curve of flow rate with the height of the chamber

2.3.2 泵腔高度

選泵腔高度h分別為0.4，0.8，1.0，1.2，1.4， 1.6和1.8 mm，得到不同泵腔高度下的流量變化曲線，如圖9所示?？梢钥闯觯髁侩S泵腔高度的升高而增加，達(dá)到最大值后開始降低，最大值與最小值差值較大，變化幅度較大，因此泵腔高度對(duì)泵流量影響較大。當(dāng)泵腔高度h=1.6 mm時(shí)，壓電氣泵的流量達(dá)到最大值，為1 790 ml/min。

圖9 流量隨泵腔高度的變化曲線Fig.9 Variation curve of flow rate with the height of the pump chamber

2.3.3 射流孔直徑

取射流孔直徑D分別為0.4，0.7，1.0，1.3和1.6 mm，得到不同射流孔直徑流量變化曲線，如圖10所示?？梢钥闯?，流量隨射流孔直徑的增大而增加，達(dá)到最大值后逐漸下降，變化幅度較大。這說(shuō)明射流孔直徑對(duì)流量的影響較大。當(dāng)射流孔直徑D=1.3 mm時(shí)，流量達(dá)到最大，為1 750 ml/min。

圖10 流量隨射流孔直徑的變化曲線Fig.10 Variation curve of flow rate with the diameter of jet hole

2.3.4 出口直徑

選出口直徑d分別為1.2，1.6，2.0和2.4 mm，得到不同出口直徑時(shí)流量變化曲線，如圖11所示。可以看出，流量隨出口直徑的增大先上升后下降，且曲線漲幅較大，說(shuō)明出口直徑對(duì)流量的影響也較大。當(dāng)出口直徑d=2mm時(shí)，流量達(dá)到最大，為1 820 ml/min。

圖11 流量隨出口直徑的變化曲線Fig.11 Variation curve of flow rate with the diameter of outlet

從以上仿真分析可見，當(dāng)無(wú)閥壓電氣泵容腔高度為0.1 mm、泵腔高度為1.4 mm、射流孔直徑為1.6 mm、出口直徑為2 mm時(shí)，驅(qū)動(dòng)頻率為400 Hz，泵輸出氣體流量最大，為1 800 ml/min左右。

3 實(shí)驗(yàn)研究

3.1 實(shí)驗(yàn)裝置

圖12 流量測(cè)試裝置Fig.12 Flow measurement system

測(cè)試裝置如圖12所示，主要包括GL-103B電子皂膜流量計(jì)、硅膠管、電源和無(wú)閥氣體壓電泵樣機(jī)。測(cè)試方法：取少量皂液灌入到流量計(jì)的玻璃管中形成皂膜，皂膜在氣流的推動(dòng)下，由玻璃管的底端上升到玻璃管的頂端直至從流量計(jì)的出口噴出，記錄皂膜通過兩個(gè)傳感器位置時(shí)所需時(shí)間，由控制系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算，然后在顯示屏上讀取氣體的流量。實(shí)驗(yàn)時(shí)為了減少測(cè)試誤差，對(duì)流量多次測(cè)取，求取平均值再記錄。

3.2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

為了驗(yàn)證仿真結(jié)果的正確性以及進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，測(cè)試主要結(jié)構(gòu)參數(shù)，即容腔高度H、泵腔高度h、射流孔直徑D、出口直徑d對(duì)流量的影響。為了確定單一因素的影響程度，其他參數(shù)固定不變。

3.2.1 容腔高度

容腔高度H分別選0.1，0.2，0.3，0.4和0.5 mm(驅(qū)動(dòng)電壓為120 V，驅(qū)動(dòng)頻率變化范圍為40～400 Hz以下實(shí)驗(yàn)均用此參數(shù))，得到不同容腔高度時(shí)的流量隨頻率變化曲線，如圖13所示。5種容腔高度最大流量曲線如圖14所示?？梢钥闯觯煌萸桓叨葧r(shí)流量隨頻率的升高而升高，達(dá)到最大值后開始下降。流量的最大值隨容腔高度增大而減小。變化趨勢(shì)與仿真結(jié)果(圖8)基本吻合。當(dāng)容腔高度H=0.1 mm時(shí)，流量達(dá)到最大，為1 750 ml/min。

圖13 不同容腔高度時(shí)流量隨頻率變化曲線Fig.13 Different cavity height of the flow versus frequency change curve

圖14 最大流量隨容腔高度變化曲線Fig.14 Maximum flow with the cavity height change curve

3.2.2 泵腔高度

泵腔高度h分別選取0.4，0.8，1.0，1.2，1.4，1.6和1.8 mm，得到不同泵腔高度時(shí)流量隨頻率的變化曲線，如圖15所示。這7種泵腔高度最大流量曲線如圖16所示。可以看出，不同泵腔高度時(shí)的流量隨頻率的增加而升高，達(dá)到最大值后開始下降。流量的最大值隨泵腔高度先增大而減小。變化趨勢(shì)與仿真結(jié)果(圖9)基本吻合。當(dāng)泵腔高度h=1.4 mm時(shí)，流量達(dá)到最大，為1 790 ml/min。

圖15 不同泵腔高度時(shí)流量隨頻率變化曲線Fig.15 Different pump chamber height of the flow versus frequency change curve

圖16 最大流量隨泵腔高度變化曲線Fig.16 Maximum flow with the pump cavity height change curve

3.2.3 射流孔直徑

射流孔直徑D分別選取0.7, 1.0, 1.3, 1.6和1.9 mm，得到不同射流孔直徑時(shí)流量隨頻率變化曲線，如圖17所示。這5種射流孔直徑最大流量曲線如圖18所示?？梢钥闯?，不同射流孔直徑的流量隨頻率的升高而增大，流量的最大值隨射流孔直徑先增大后減小。變化趨勢(shì)與仿真結(jié)果(圖10)相吻合。當(dāng)射流孔直徑D=1.3 mm時(shí)，流量達(dá)到最大，為1 810 ml/min。

圖17 不同射流孔直徑時(shí)流量隨頻率變化曲線Fig.17 Different jet hole diameter of the flow versus frequency change curve

圖18 最大流量隨射流孔直徑變化曲線Fig.18 Curve of maximum flow rate versus jet diameter

3.2.4 出口直徑

出口直徑d分別選取1.3，1.5，2.0和2.5 mm，得到不同出口直徑時(shí)流量隨頻率變化關(guān)系曲線，如圖19所示。這4種出口直徑最大流量曲線如圖20所示。從圖中可以看出，不同出口直徑的流量隨頻率的升高而增大，流量的最大值隨出口直徑先增大后減小。變化趨勢(shì)與仿真結(jié)果(圖11)基本相符合。當(dāng)出口直徑d=2.0 mm時(shí)，流量達(dá)到最大，為1 807 ml/min。

圖19 不同出口直徑時(shí)流量隨頻率變化曲線Fig.19 Different outlet diameter of the flow versus frequency curve

圖20 最大流量隨出口直徑變化曲線Fig.20 Maximum flow with the outlet diameter change curve

從以上實(shí)驗(yàn)測(cè)試可知，當(dāng)無(wú)閥壓電氣泵容腔高度為0.1 mm、泵腔高度為1.4 mm、射流孔直徑為1.3 mm、出口直徑為2.0 mm時(shí)，驅(qū)動(dòng)頻率為400 Hz，泵輸出氣體流量最大為1 800 ml/min左右。這與仿真結(jié)果基本吻合，驗(yàn)證了仿真分析的正確性。

4 結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)的基于合成射流原理的無(wú)閥氣體壓電泵體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。通過泵內(nèi)流體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)仿真確定了氣體流速的分布，驗(yàn)證了壓電氣泵具有連續(xù)出流能力。進(jìn)行壓電氣泵結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)流量影響規(guī)律仿真分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，當(dāng)無(wú)閥壓電氣泵的容腔高度為0.1 mm、泵腔高度為1.4 mm、射流孔直徑為1.3 mm、出口直徑為2.0 mm時(shí)，驅(qū)動(dòng)頻率為400 Hz，泵輸出氣體流量最大為1 800 m/min左右。實(shí)驗(yàn)測(cè)試與仿真結(jié)果基本吻合，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的無(wú)閥氣體壓電泵結(jié)構(gòu)的可行性。該微型氣泵適用于微小型器件、功率器件、LED及芯片冷卻等場(chǎng)合。