【摘 要】
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微泵在医疗领域得到广泛的应用,尤其是输送流体方向。在实际工程中使用的微泵主要是有阀微泵;因为存在阀片结构,有阀微泵的加工难度和能量损失都会增大。本次研究设计出一种新型无阀微泵,采用介电弹性体制成的驱动代替传统压电片,使用合成射流原理来摆脱阀片的限制。为了进一步研究微泵性能,利用有限元分析软件对其进行参数设计、建模以及有限元分析研究。重点分析关键参数对无阀微泵性能的具体影响形式,通过研究结果来优化无
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微泵在医疗领域得到广泛的应用,尤其是输送流体方向。在实际工程中使用的微泵主要是有阀微泵;因为存在阀片结构,有阀微泵的加工难度和能量损失都会增大。本次研究设计出一种新型无阀微泵,采用介电弹性体制成的驱动代替传统压电片,使用合成射流原理来摆脱阀片的限制。为了进一步研究微泵性能,利用有限元分析软件对其进行参数设计、建模以及有限元分析研究。重点分析关键参数对无阀微泵性能的具体影响形式,通过研究结果来优化无阀微泵的尺寸。最后确定无阀微泵优化后的性能。课题主要研究工作内容如下:(1)对合成射流原理进行详细地研究,合成射流原理的主要原理是在排出阶段形成中央射流和一对漩涡对,通过漩涡对向着出口的运动带动流体从出口流出泵外。探究合成射流原理形成的必要条件:在微泵排出阶段形成的漩涡对不能在吸入阶段被破坏。并通过数学的方式进行理论推导,对合成射流原理的必要形成条件进行说明。(2)通过合成射流原理形成的必要条件来对无阀微泵的关键尺寸进行确定,影响合成射流现象最重要的参数有:喷口直径、喷管长度、泵腔高度和出口宽度。根据合成射流现象形成的必要条件初步将无阀微泵的关键尺寸确定为:喷口宽度(Da)为0.03mm,喷管长度为8Da,泵腔高度为30Da,出口宽度为10Da。本次研究采用的深碟型隔膜直径尺寸为3.6mm,根据此尺寸确定无阀微泵的泵腔宽度为6mm;驱动器的尺寸也进一步根据此尺寸确定:上部与隔膜连接的固定单元直径为3.6mm,下部的固定单元直径为6mm。(3)对驱动器进行仿真模拟,发现驱动器的仿真结果并不理想。为提高驱动器的性能,对驱动器进行预拉伸处理;在确定驱动器的尺寸后,运用Soildworks对预拉伸量为0mm、0.3mm、0.5mm和1mm的驱动器进行建模,运用有限元分析软件对驱动器的三维模型进行静力学分析,通过对比不同拉伸量的驱动器在相同工作条件下的运动行程,最终确定驱动器的预拉伸量为0.5mm。(4)对无阀微泵的三维模型进行多物理场仿真,观察无阀微泵内部流体在工作状态下的流动状态,印证合成射流原理在微泵领域的可行性。继续对重要参数对无阀微泵性能影响进行探究;无阀微泵中的流体是被中央射流和漩涡对带动到出口处,进而排出泵外;影响无阀微泵排量的主要因素是中央射流和漩涡对,泵腔高度影响中央射流和漩涡对是否能成功运动到出口附近。通过对不同喷管长度下的无阀微泵性能进行对比,发现喷管长度对无阀微泵的排量的影响不大大。出口宽度的最优解就是中央射流在出口位置的宽度。(5)优化无阀微泵的尺寸,在探究了喷口直径、喷管长度、泵腔高度和出口宽度四个因素对无阀微泵排量的具体影响后,发现初定的无阀微泵尺寸并不能发挥无阀微泵的最大性能。通过数值模拟的方法,对无阀微泵的四个关键尺寸进行优化,最后选定泵腔高度为40Da,出口宽度为14Da,喷管长度依旧选择8Da。在优化尺寸后对无阀微泵进行仿真模拟。在输入电场电压为300V,输入电场频率为100Hz的条件下得到无阀微泵的排量为20.4m L/min。
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