“Y”形流管无阀压电泵模拟与试验研究

为了对“Y”形流管无阀压电泵的工作特性有更深入的了解,使其更好地满足输血、输液等工作的需要,对“Y”形流管无阀压电泵内部流场及泵流量特性进行了模拟及试验研究。采用CFX软件对“Y”形流管无阀压电泵泵腔内的流场特性进行了模拟分析。结果表明：“Y”形流管无阀压电泵工作时泵腔内的压强变化很小,涡旋对流体传输活体细胞及长链大分子基本无影响。实际制作了“Y”形流管无阀压电泵,并通过改变“Y”形流管的几何尺寸,研究了压电泵进出口端压差的变化规律。试验结果表明压差随支管夹角增大而减小,并且当两支管宽的和接近主管宽时,压差值达到最小,当支管夹角为5°,宽为1.2mm时,压差达到最大的74mm水柱。     

细胞或高分子输送用"Y"形流管无阀压电泵的工作原理及流量特性

在泵腔上安装两支互为倒置的具有一定夹角的三通流管,组成泵腔的流入、排出口,并与压电振子、泵体及其他部件共同构成了"Y"形流管无阀压电泵.该泵无自身化学污染源及电磁污染源,也没有阀的开启过程;同时,具有极大的可微小化和集成化的结构能力;而且,在流管内产生的漩涡相对较小,有利于输送活体细胞及长链高分子.提出新型"Y"形流管无阀压电泵的结构.基于有限体积法,分别模拟锥形流管与"Y"形流管中的压力分布与速度矢量分布,证明"Y"形流管中的漩涡远小于圆锥流管中的漩涡,速度、压力的变化也较圆锥流管低.通过具体分析压电振子的振动,建立泵容积变化方程;同时建立泵流量与压电振子频率之间的关系式.最后,通过对所研究的"Y"形流管无阀压电泵进行流量试验后证明"Y"形流管无阀压电泵具有泵特性,进而证明了上述理论模型的正确性.     

"Y"形流管无阀压电泵流量及流管流阻特性分析

目前已有无阀压电泵所采用的无移动部件阀要么结构复杂,要么会产生速度、压强变化显著的湍流流场,不利于应用在医疗、卫生、保健等领域进行活体细胞或长链高分子细胞的输送.针对这些问题,研制一种新型无阀压电泵--"Y"形流管无阀压电泵,并对其进行模拟及试验研究.结合医疗领域输血、输液工作的需要,分析当前几种典型无移动部件阀的优缺点,并介绍"Y"形流管无阀压电泵及其流管的特点.对"Y"形流管无阀压电泵进行理论分析,建立泵流量计算公式.基于有限元法对"Y"形流管内流体流动状态进行模拟,得到"Y"形流管内正反流压强变化规律及内部涡旋较锥形流管内涡旋小的结论,并计算得到"Y"形流管正反向流阻.对"Y"形流管无阀压电泵进行理论与试验流量的比较分析,结果表明,理论泵流量与试验泵流量的最小与最大相对误差分别为7%、13%,也证明了理论分析与数值模拟是正确的.     

"Y"形流管无阀压电泵振动分析及泵流量计算

为了解决医疗、卫生、保健领域进行细胞或高分子等输送工作的需要,研制了一种新型的压电泵——"Y"形流管无阀压电泵,并对其压电振子振动特性及泵流量计算进行了研究。介绍了"Y"形流管无阀压电泵及其流管的结构和特点;基于圆形薄板弯曲振动理论对压电振子振动进行了理论分析;然后讨论了泵及其流管内流体的流动特性,建立了泵流量方程。最后,基于有限元法对流管内流体流动状态进行了模拟,得到了正反流压强变化规律及正反流流阻。实验结果表明:理论泵流量与实验泵流量变化趋势一致,且两者最小相对误差为12%,证明了理论分析与数值模拟的有效性和正确性。     

多级“Y”型流管无阀压电泵的原理与试验验证(实验视频)

针对目前微流体混合器多需要外接动力源,且多数微混合器只能进行液体混合而不能输送液体的问题,提出将无阀压电泵引入微混合器领域,并研制了一种集混合与输送于一体的多级“Y”型流管无阀压电泵。首先,提出了多级“Y”型流管,进而设计了多级“Y”型流管无阀压电泵,并分析其工作原理;然后,对该无阀压电泵的流管流阻特性及泵流量进行理论分析;同时,利用有限元软件对多级“Y”型流管无阀压电泵进行了流场模拟,结果表明该压电泵具有单向传输作用。最后,制作了多级“Y”型流管无阀压电泵样机,并进行了泵流量与背压试验。试验结果显示：驱动电压峰峰值为100 V,频率为16 Hz时,流量达到最大,为16.2 ml/min;驱动电压峰峰值为100 V,频率为14 Hz时,输出背压最大,约为64 mm水柱。得到的试验数据证明了多级“Y”型流管无阀压电泵的有效性。(实验视频)     

变截面“Y”型流管无阀压电泵原理及试验

根据三通全扩散/收缩流管的结构形式,设计了一种无阀压电泵——变截面“Y”型流管无阀压电泵。首先,分析了变截面 “Y”型流管无阀压电泵的工作原理;然后,对变截面“Y”型流管流阻和泵流量进行理论分析,对变截面“Y”型流管进行模拟,得到流管正反向压强损失系数;最后,制作变截面“Y”型流管无阀压电泵样机,并进行流量试验。试验表明：当驱动电压为100 V、驱动频率为12.4 Hz时,流量达到最大,为25.7 ml/min;使用定频12.4 Hz改变电压,当电压为200 V时,最大流量达到41.6 ml/min。该组试验证明了变截面“Y”型流管无阀压电泵的有效性。     

3D打印的锥管坡面腔底无阀压电泵

为提高无阀压电泵的流量特性和解决泵加工工艺性差的问题,研制出了锥形流管坡面腔底无阀泵。首先,提出并设计了锥形流管坡面腔底无阀泵,分析了该泵的工作原理;然后,利用ansys软件对泵腔内流场做了模拟分析,分析结果表明该泵具有传输流体的能力;最后,利用3D打印技术制作了锥形流管坡面腔底无阀泵,并对泵的频率-流量特性进行了试验,驱动频率为8Hz时,锥形流管坡面腔底无阀泵的流量达到最大值26.8ml/min,比相同尺寸坡面腔底无阀压电泵在相同驱动电压条件下输出的最大流量增加了18.6%。试验结果表明,锥形流管坡面腔底无阀泵的流量特性优于坡面腔底无阀压电泵,且采用3D打印技术制作压电泵,提高了泵加工的工艺性,缩短了加工周期,降低了加工成本。     

非对称分叉流管无阀压电泵的设计及试验

具有微混合功能的多级Y型流管无阀压电泵存在着输出流量与振子带载能力不平衡的问题。为此，提出了一种非对称分叉流管无阀压电泵。首先，理论分析了该无阀压电泵输出流量与流管流阻间的关系；其次，利用有限元软件数值计算了多级Y型流管的流阻特性；最后，采用光固化快速成型技术加工了样机，并进行了泵特性试验和振子振动测试。试验结果表明：在峰峰值200 V正弦波交流电驱动下，该压电泵的流量、扬程和压电振子的振幅都随驱动频率增加呈现先增大后减小的趋势；当驱动频率为31 Hz时，最大流量为4 g/min；驱动频率为38 Hz时，最大扬程为40.5 mmH2O。在试验施加电压范围内，该泵的输出性能与驱动电压呈正相关性。本研究验证了非对称流道树型无阀压电泵的可行性，为非对称无阀压电泵在微流道滴灌和微混合等领域的应用提供了参考。     

流线形流管无阀压电泵的仿真与实验

基于现有无阀压电泵输送活体细胞或者长链功能性高分子时依然存在输送破坏与缠绕失性等缺点,提出了一种流线形流管无阀压电泵,研究了4组不同角度的流线形流管无阀压电泵的输出性能。首先,阐述了泵的结构及工作原理,建立泵的流量表达式;其次,采用Fluent流体分析软件对β角度分别为10°,15°,20°和25°的流管组成的无阀压电泵进行内部流场动网格仿真,发现内部流场稳定性随着β角的增加而降低,而最佳输出流量伴随着角度的增加而增加,对比相同压差下流线形流管和锥形流管的仿真结果,发现流线形流管可有效提高流体流动的稳定性;最后,对4组不同角度的样泵进行流量测量实验,并将实验结果与仿真结果进行对比。结果表明:实验得到的最佳输出流量变化趋势以及泵送方向均与仿真结果一致。本研究促进了流线形流管无阀压电泵在微活性物输送领域以及医疗保健领域的应用。     

泵用压电振子动态特性的研究

为了提高压电泵的效率、优化压电泵的结构,对泵用压电振子的动态特性进行了研究。介绍了一种新型压电泵——Y形流管无阀压电泵的结构和工作原理;对Y形流管无阀压电泵压电振子的振动状态进行了理论分析,得到了压电振子的固有频率及最大振幅的理论计算公式,并证明了理论分析结果的正确性;根据理论分析结果,对压电振子几何参数和基底层材料对其振动特性的影响进行了分析讨论。分析结果表明：压电振子的PZT层与基底层的直径比应在0.75左右,厚度比应小于1;基底层材料对频率影响较大,但对最大振幅影响较小。