并联三通全扩散/收缩管无阀压电泵的性能

Performance of parallel double-chamber valveless piezoelectricmicro-pump with three-way difuser/nozzle tubeDeng Zhidan ，Li Fu ，He Xiuhua ，Wang Jian(1.1；actIty(1f Science，Jiangsu tiniversity，Zhenjiang，Jiangsu 21 2013，China；2.School of Energy and Power Engineering，Jiangsu Lni，ms；ty，Zhenjiang，.1iangsu 212013，China)Abstract：The fluid-structure interaction (FS1) metho(1 was adopted to simulate the fluid flow in avalveless piezoelectric pump with three-way difuser/nozzle tube，and then a comparison is made withthe experiment results.As the 1 00 V excitation voltage is applied，the flow rate increases against in-creasing frequency(50～1 75 Hz)；the nlaximum error of flow rate between FS1 computation and ex-pertinent is 1 2% .At theequeney of 100 Hz the flow rate increases with voltage linearly.The expei-mental data confirmed such computed results，suggesting the FSI simulation method is feasihle for thisnliero-pump.Moreover a paralel double-chamber valveless piezoelectric micro-pump with three-waydifuser/nozzle tube was designed to impr)ve output flow rate and pressure of the traditional singlechamber valveless piezoelectric pump.Efects of difmeHee in phase of the two vibrators on flow rate inthe double-chamber micro-pump were analyzed by the FSI method，and the transient flow rate plots inlie circle were established under various differences of phase，eventually compared with those of thesingle-chamber pump.The results indicated the flow rate shows a little change with diflrence of phasein the paralleI double-chamber miero-pump.However.a continuous fluid transport was realized in thedouhle-chamber pump in one cycle，for example，as the difference of phase is 1 80。，the flow rate is收稿日期：2012-06-14基金项目：I词家自然科学基金资助项 目(51276082)；汀苏高校优势学科建设 I 程项目作者简介： 志斗(1959-)，男，江苏阜宁人，剐教授(xiaopinglmngyan###sina.corn)，主要从事流怵机械内部流动汁钟：研究拿寓(1987-)，男，东济 j：人，硕十研究生(shui[en 9###163.，'oreI，主要从事流体机械内部流动及性能研究0.367 mL/min，and as the difference of phase is 360。，the flow rate is 0.349 mL/min。

Key words：valveless piezoelectric pump；three-way diffuser/nozzle tube；fluid structure interaction；experiment comparison；paralel structure压电泵具有结构紧凑、无电磁干扰、耗能低、无噪声等优点，在医疗卫生器械、生物基因工程、化学分析、生物芯片、航空航天等领域或诚均有应用，其驱动部件采用体积较小的压电驱动器，易于实现微型化 .无阀压电泵将传统液压系统 的驱动元件、传动部件以及执行部件集于-体，体积小，质量轻，输出流量易控制，系统的能量转换效率得到了提高 .同时，由于内部没有活动部件，使得制造和加工得到了很大的简化，无阀压电泵已经成为微泵的研究热点 。

无阀压电泵利用特殊流管正反向流阻差异实现泵送功能，因此作为承载无阀压电泵性能的主要部件，流管起着至关重要的作用.何秀华等- 提出了三通全扩散/收缩管无阀压电泵，该泵采用的流管吸取了V”型管 与Y”型管 的结构优点，其正反向流阻系数比A有了显著提高。

无阀压电泵的数值计算涉及速度、应力、压电等多个物理场的耦合问题.其中压电效应分析是 1种结构-电愁合分析 J，它利用包含多种自由度的耦合单元，通过计算包含所需物理量的单元矩阵或载荷向量的方法进行耦合.压电振子作为驱动原件，其变形对泵腔内流体产生影响，同时流体也会对压电振子产生影响，腔内流体的正压或负压会给压电振子 1个向外或向内的力。

文中首先将单腔无阀压电泵的数值模拟结果与试验结果进行对比和验证 ，然后对并联双腔无阀压电泵进行分析，最后采用 Ansys 和 CFX软件，用 Solid 5作为压电单元 对三通全扩散/收缩管无阀压电泵进行流固耦合数值模拟，以提高泵的性能。

1 并联无阀压电泵计算模型1.1 并联无阀压电泵结构并联三通全扩散/qk缩管无阀压电泵结构如图1所示，流体通过连接上下缓冲腔的通道流动，上下泵腔各用 1个压电振子进行驱动.微流道与泵腔设计在相同硅片上，充分利用了硅片的正反两面.这种设计结构与平铺式的并联无阀压电泵相比，结构更加紧凑 ，更易于无阀微泵的集成化。

进lI 压电振子 泵腔 泵体 出口缓冲腔 三通全扩散/收缩管 玻璃盖板 缓冲腔图 1 并联结构三通全扩散/收缩管无阀压电泵结构Fig.1 Paralel double-chamber valveless piezoelectricmicro·-pump with three-·way difuser/nozzle tube三通全扩散/收缩管的结构参数分别为流管进口圆角r75。，流管长度 3 000 m，流管锥角0.7。；分流管长度L ：1 400 Ixm，分流管锥角0 ：8。，分流管夹角 ：90。，分流管与汇流管出口宽度的比值 63/b20.25。

1.2 模型的建立及边界条件的设定三通全扩散/收缩管无阀压电泵流动区域计算模型如图2所示.泵腔直径为 9.8 mm，泵腔高度为0.2 mm，微流管高度为 150 Ixm，模型采用六面体网格划分。

边界条件opening 耦合IFSII 边界条件opening耦合面FSI2图 2 并联无阀压电泵流体区域计算模型Fig.2 Fluid domain model of parallel double-chambervalveless piezoelectric pump计算选用流体介质为不可压缩的水，流动模型采用层流模型.微泵进出口边界条件为 opening，两泵腔上表面分别设为 FSI1和 FSI2耦合面，其他表面设为无滑移壁面。

对上下两振子分别施加电压幅值为 100 V频率为 100 Hz，不同相位差的激励信号，为考察并联压电泵振子振动相位差与流量的关系.两振子振动相位差分别设为 45。，90。，135。，180。，225。，270。，315。和 360 0。

2 数值模拟方法的可行性分析为了验证数值模拟的可行性，文中以单腔无阀压电泵的试验结果对比其数值模拟结果进行误差分析和验证。

2.1 数值模拟结果与试验对比分析对压电振子施加不同频率的正弦交流电压，激励电压为1210 V，进行数值模拟计算，并将结果与试验结果 相比较，如图3所示.可以看出：在频率50～175Hz范围内，微泵的流量随频率的增大而增大，数值模拟结果从0.120 mI/min增大到0.411 mL/min，试验结果从 0.086 mL/min增大到 0.378 mL/min，最大误差为 12%； 频率为 100 Hz时，对压电振子施加不同的激励电压时，流量随电压的增大而增大，呈线性关系.在 电振子可承受的激励电压范围内，激励电压越高，尢阀微泵的流量越大。

∥HZ(a)当c， 100 V刚uPP/V(b)当产100HzlJ，罔3 通 手厂敞/收缩管无阀压电泵电压、频率 -流量图Fig.3 Flow rate against excitation voltage and frequencyol dou1)le-chamber valveless pump2.2 试验误差分析i1于加J二厅式的原因，MEMS工艺加工的器件尺寸的相对误差要比宏观加工高.文中微流管的加工应用干法刻蚀工艺.干法刻蚀工艺的表面刻蚀精度较高，但刻蚀深度的精度较低.试验设计的流管深度为 150 m，加工的误差为 ±5 m，相对误差达3.33%.由于所有流管的刻蚀加工在-块硅片 L同时进行，所以-块硅片上所有流管深度的误差值基本相同。

压力传感器的量程为200 kPa，测量精度为 ±0.25%，即 力传感器的绝对测量误差为±500 Pa。

测定压力最小为 l0 kPa，其相对误差为5%，随着压力的增大，相对误差减小，测定压力最大为 100 kPa，其相对误差为0.5%.滴定管的量程为 50 mL，最小刻度为0.1 mL，精度为 ±0.05 mL.测量时所应用到的滴定管容积范围为 12～50 mL，测量的最大相对误差小于0.42%，且随测量容积的增大相对误差逐渐减小。

由以上分析可知，数值模拟结果与试验结果吻合较好，从而验证了数值模拟方法的可行性。

3 并联无阀压电泵性能由于无阀压电泵没有阀片，在运行过程中，流量不连续、输出压力和输出流量不高等缺点成为限制无阀压电泵发展的原因.为克服这些缺点，通常采用增加泵腔和压电振子的方法川 。

文中主要从提高无阀压电泵工作性能的角度出发，采用数值模拟的方法，将输出流量作为衡量指标，针对单腔无阀压电泵流量与背压较小的缺点，设计出并联三通全扩散/收缩管尤阀压电泵，并将其性能与单腔三通全扩散/收缩管无阀压电泵进行对比分析。

3.1 微泵瞬时流量与振子位移分析无阀压电泵依靠压电振子的逆压电效应产生位移，进而通过泵腔的容积变化产生驱动力输送流体介质.同时，流体介质将反作用于压电振子.通过分析微泵瞬时流量与振子位移可以看出这-现象。

图4为微泵在 100 V，100 Hz的激励信号驱动下，进口与出口瞬时流量与振子位移曲线，图中瞬时流量为正时表示流体由进 口流向出口，为负时表示由出口流向进口；振子位移为正时表示泵腔体积增大，为负时表示泵腔体积减小.在0～0.002 5 S时间内，微泵处于启动状态，故其瞬时流量较小。

图4 进出口瞬时流量与振子位移比较Fig.4 Comparison of instantaneous flow 1 ale at inletand outlet and vibrator displacement由图4可以看出：当振子处于平衡位置， 位移为0时，进出口瞬时流量皆达到最大值，而振子处于位移最大处时，进出口瞬时流量为0.这是由于当振子处于平衡位置时，振子的振动速度达到最大值，故施加给液体的作用力也最大，使得泵腔内流体速度达到最大值，故此时的瞬时流量最大；当振子处于位移最大位置时，振子的振动速度为 0，对液体施加作用力很小，使得泵腔内的流速近似为 0，故此时的瞬时流量为0；振子在半周期点和周期点，即0.005，0.010，0.015和0.020 S时刻位移并不为0，这是由于振子在回复平衡位置时，受到流体的反作用力延缓了振子的运动。

3.2 振子振动相位差对流量的影响通过数值计算，总时间设为 0.020 O0 S，时间步长设为0.000 25 S，总时间步为 80.得到了并联微泵在不同相位差 下的流量，如图5所示。

图5 不同相位差下并联结构做泵流量变化Fig.5 Flow rate curve under various difference of phasetor double-chamber valveless pump由图5可以看出：在相位差为 ：45。～180。

时，流量逐渐增大，并在 180。时达到最大值，为0.367 mL/min；当相位差为 (b180。～270。时，流量逐渐降低至 0.337 mlJmin；当相位差 (b270。～360。时，流量又缓慢地上升，当 360。时达到另-个峰值，此时流量为 0.349 mL/min.并联结构的三通全扩散/收缩管微泵的流量变化量为0.013 mL。

3.3 内部流动分析因为两泵腔互不干涉，并联结构的微泵上下泵腔的流动基本相同，保证了流动的稳定性 ，从而不会对高分子或细胞分子等流体介质产生破坏。

当振子振动相位差为360。时，并联微泵实现了持续的出流，这与单泵腔时瞬时流量半个周期为出流、另半个周期为入流的情况不同，图6为 ：360。

时微泵出口瞬时流量随时问在 1个周期内的变化，由于数值模拟对微泵启动时的计算并不准确，有较大的跳跃，故选择流动趋于稳定的0.010～0.020 S这-周期.可以看出：并联三通全扩散/收缩管微泵的瞬时流量在 1个周期范围内均为出流状态 ，而单腔三通全扩散/收缩管微泵的瞬时流量在 1个周期内随着振子位移的变化分为排出阶段和吸入阶段.通过调节相位差，可以使并联三通全扩散收缩微泵实现在 1个周期 内连续出流，从而使泵流量有较大程度的提高 (理论上并联微泵流量为单腔结构泵的2倍)。

t/s(b)单腔结构图6 微泵在 1个周期内瞬时流量图Fig.6 Instantaneous flow rate of micro-pump intinie period of one cycle设振子向使泵腔体积增大的方向振动为正方向，反之为负方向.在 t0.010 S时刻，上振子由负方向振动到平衡位置，下振子由正方向振动到平衡位置.上泵腔为吸人过程，下泵腔为排出过程.在三通全扩散/收缩管的作用下，由下泵腔向进口排出的流体被上泵腔吸入，而上泵腔从出口吸人的流量远小于下泵腔排出的流量(见图7a).因此，此时整个系统处于泵送过程。

在 t0.016 S时刻，上振子由平衡位置向负方向振动，下振子由平衡位置向正方向振动.上泵腔为排出过程，下泵腔为吸人过程.此时在三通全扩散/收缩管的作用下，由上泵腔向进 口排出的流体被下泵腔吸人，而下泵腔从出口吸入的流量远小于上泵腔排出的流量(见图 7b).因此，此时整个系统仍处于泵送过程，与之对应的压力云图如图8所示。

-- 、 /- 、、罟-嗣 -I墨舞舅 曩- jT f 、rL f 1 /王耍薹叠童 ：妾主三兰二三 三i匡耋委量矗妻室篓囊 曼蔓墓蚕黧 /l.斗 ij薹要薹蚕蓥 蕊兰：巨三要二工 塞蒌嚣誉 邀 三三三(b)tO 016 S图7 振动相位差 360。时速度矢量图Fig.7 Velocity vector at difference of phase of 360。

(b1t0.016 S8 振动棚位差360。时垂直对称面压力云Fig.8 Pressure contom at diference of phase of 360。

[5]巾以上 2个时刻分析泵内流动情况可知，并联结构微泵当2个振子振动相位差为 360。时，泵腔与下泵腔的状态相反，即上泵腔为吸人过程时，下泵腔为排出过程，反之亦然.并且在特殊微流管的作用下，出口处的瞬时流量始终为正(出口流出为正)，进口处的瞬时流量始终为负。

4 结 论1)采用流固耦合数值模拟方法，对三通全扩散/收缩管单腔无阀微泵进行了数值计算，并将结果 与试验进行 r对比验证，验证了该数值模拟方法的可行性。

2)应用该方法对j通全扩散/qk缩管并联结构微泵进行数值模拟，分析了并联结构下两振子振动相位差对微泵流量的影响，绘制出了不同相位差下并联微泵流量 和微泵在 1个周期内瞬时流量图，并与单腔结构的微泵进行了对比。

3)振子振动相位差对并联结构微泵流量影响小大.在 ：180。时流量达到最大值，为0.367 mL/min，当 360。时，微泵实现了连续输送，其流量为0.349 mL/min，性能较单腔结构微泵有了较大的提高。