“Y”形流管无阀压电泵振动分析及泵流量计算

　　1　引　言

　　无阀压电泵是以无移动部件阀代替传统的可移动阀,以具有逆压电效应的压电振子作为动力源而实现传送流体和能量的泵。无阀压电泵因省略了传统压电泵中阀的开启闭合过程而在微流体领域有着广阔应用前景,从而吸引了众多研究者的关注[126]。

　　在医疗、卫生、保健等领域进行活体细胞和长链高分子细胞的输送工作时,活体细胞极易被挤压而失去活性;长链高分子细胞也极易发生相互缠绕、拉断而使局部分子量增大或减小,使其失去原有的机能与性质。压电泵要从事这方面的工作,就需要尽量避免其内部出现速度、压强变化显著的湍流场。同时,考虑到传染与污染等原因,在医疗、卫生、保健等领域一般需要一次性应用,这就要求压电泵的制作成本低廉。

　　“Y”形流管无阀压电泵[7]是将一种三通形的流管———“Y”形流管作为无移动部件阀而制作的。这种流管结构简单、加工制作方便、流管内涡旋小、速度压强变化平缓,能满足活体细胞或长链高分子细胞输送的需要。

　　迄今为止,对“Y”形流管无阀压电泵的研究还仅限于基础的原理证明与实验研究阶段[8],流管的流态解析以及泵特性等许多问题还没有进行研究,这些基础性问题阻碍了该泵的应用与产业化进程。

　　本文将首先对压电振子的振动特性及流管流阻特性进行理论分析;然后,对“Y”形流管进行模拟分析;最后,将对理论与实验泵流量进行比较,并对比较结果及误差产生原因进行讨论。

　　2　“Y”形流管无阀压电泵的结构

　　图1所示为“Y”形流管无阀压电泵及其流管结构图。“Y”形流管(图1(a)所示)由合管A及两支管B、C组成,两支管B、C与合管A呈中心对称分布,选用完全相同的参数,整管的形状像大写的英文字母“Y”,因而称为“Y”形流管。设两支管宽度为b,夹角为θ;合管宽为a,长为l;整管高为c,长为L。

　　当流体在“Y”形流管中流动时,合管A的端口作为输入口、两支管B,C的端口作为排出口(定义为正流)与合管A的端口作为排出口、两支管B,C的端口作为输入口(定义为反流)的流动阻力是不同的。将这样一对“Y”形流管互相倒置地装在压电泵泵腔的两端,则形成一种新型的压电泵———“Y”形流管无阀压电泵(图1(b)所示)。

　　3　压电振子振动特性分析

　　3.1　自由振动应变能与动能

　　“Y”形流管无阀压电泵采用的压电振子的尺寸如图2所示,因为电极层和粘接层厚度相对于基底层和压电陶瓷层很薄,可将其忽略。压电振子基底层半径为R,PZT层半径为r=αR,基底层厚度为a,PZT层厚度为b=βa。假设压电振子振动时,压电陶瓷层与基底层无相对滑动。建立如图2所示的柱坐标系,其rθ平面位于基底层的中间面上,坐标原点为圆心,z轴为压电振子的对称轴。