利用压电驱动的半球缺群无阀泵试验及其混合泵送性能分析

胡彩旗, 吴殿亮, 纪　晶, 胡笑奇

(1.青岛农业大学 机电工程学院，山东　青岛　266109；2. 丽水学院 工程与设计学院， 浙江　丽水　323000)



利用压电驱动的半球缺群无阀泵试验及其混合泵送性能分析

胡彩旗1, 吴殿亮1, 纪晶1, 胡笑奇2

(1.青岛农业大学 机电工程学院，山东青岛266109；2. 丽水学院 工程与设计学院， 浙江丽水323000)

摘要：为满足微流量、小流量压电液体混合与输送方面的要求，提出了一种集流体混合与泵送为一体的半球缺群无阀泵，该泵利用半球缺的圆面与球面对流体的阻力不等，配合压电振子的往复振动实现对流体的泵送；同时，利用半球缺群对流体的遮挡、干扰效应产生的湍流和旋涡实现对流体的高效混合。在解析泵的工作原理、振子振动特性、泵理论流量基础上，进行了流量与电压、频率及行数、列数变化的半球缺群的关系试验，获得了泵系统的低频谐振频率为6 Hz，并在电压及频率为160 V、6 Hz时，半球缺群4×3得到了53.2 mL/min的泵流量，电压及频率为180 V、6 Hz时，半球缺群3×3得到了59.4 mL/min的泵流量；对半球缺群行数、列数及间距变化对混合效果的影响进行了仿真研究和试验验证，得到了增加行数、列数及间距均能提高不同液体间混合效果的结论，试验及仿真分析的结果验证了半球缺群无阀泵能够较好地实现对流体的混合与泵送。

关键词：压电振子；半球缺群；无阀泵；流体；混合；输送

与传统意义上的泵[1-4]相比，无阀压电泵工作时依靠压电振子的振动将电能转换为机械能，把运动和力直接作用于流体介质上，代替了传统的机械传动构件；同时，通过无移动部件阀控制流体的单向传输，减少了机械构件间的磨损、降低加工成本低，具有能耗少、易于微小型化、使用寿命长等优点，在医疗、卫生、机电系统等需要微小型化领域有着广阔的应用前景[5-8],尤其在集成微小流量压电液体混合与输送方面更显示出其独特的优势。

Rife 等[9]利用压电振子驱动搅拌池中障碍物产生漩涡的机理，提出了实现流体混合的压电装置，该装置能够较好地实现对流体的均匀混合与搅拌，但无输送功能。Sheen等[10]提出了集液体混合搅拌与输送为一体的无阀压电泵，其是通过在入口流管中加入锥形挡块与交错的凸状物，利用流道中产生的旋涡实现对流体的均匀混合，但锥形挡块、凸状物的存在增加了泵及流管的结构、工艺难度。夏齐霄等[11-13]通过构建腔底的非对称坡面结构提出了便于实现流体混合搅拌与输送的波纹腔底无阀压电泵，利用流体流经非对称坡面形成的湍流与旋涡实现对流体的混合输送功能，但非对称坡面结构增加了压电泵结构的复杂性和工艺难度。

基于压电驱动原理，本文提出一种易于实现流体混合与泵送的半球缺群无阀压电泵，其是以固定在泵座上的矩形排列半球缺(1/4球体)群作为无阀泵的无运动阀件，通过其圆面与球面对流体的流阻不同，配合压电振子的往复振动实现对流体的泵送；同时，流体在流经半球缺群时，由于半球缺对流体的相互遮挡、干扰等影响会导致流场中产生湍流和旋涡现象，利用旋涡及旋涡的迂回流动实现对流体的高效混合。半球缺可通过钢球经线切割工艺得到，因而半球缺群无阀泵结构及工艺简单、安装调整方便，在实现流体混合泵送方面具有较好的发展前景。本文针对半球缺群无阀泵的工作原理、振子振动特性、泵理论流量进行解析并进行了泵流量试验验证；对半球缺群中半球缺的行数、列数及其间距变化对半球缺群无阀泵混合泵送效果的影响进行了仿真研究和试验验证。

1无阀泵结构及工作原理

图1所示为半球缺群无阀压电泵结构示意图，由半球缺群、压电振子、泵座、出入口流管、泵腔及密封装置组成。半球缺群呈矩形排列，行、列间距相等且球面(或圆面)朝向一致。为方便描述，规定流体由入口吸入、经出口排出的流动为正向流动；反之，由出口吸入、经入口排出的流动为反向流动。图2是压电泵一个工作周期T内振子的振动过程示意图。根据振子的往复振动方向，压电泵的一个工作周期T分为四个阶段，每个阶段为T/4周期。设振子由水平位置向上振动到最大位移处Wmax为第1工作阶段；由最大位移处向下振动到水平位置处为第2工作阶段；由水平位置向下振动到反方向最大位移处Wmax为第3工作阶段；由反方向最大位移处振动到水平位置为第4工作阶段。振子这样往复振动，就形成了泵的往复吸、排工作过程。

1.压电振子 2.泵腔 3.密封圈 4.泵座 5.入口管 6.出口管 7.半球缺群图1　压电泵结构示意图Fig.1 Schematic diagram of piezoelectric pump structure

图2　压电振子的振动周期Fig.2 Vibration period of the piezoelectric vibrator

结合图1、2，第1、4阶段，振子振动方向向上，使振子表面向上隆起，泵腔体积增大，腔内压强减小，低于入口、出口处大气压强，流体经由入口管、出口管同时吸入泵腔；由于腔内半球缺两侧的迎流面中球面对流体的阻力远小于圆面对流体的阻力，流体经由入口吸入泵腔的体积多于由出口吸入泵腔的体积，实现了流体的吸入过程。第2、3阶段，振子振动方向向下，使振子表面向下凹入，泵腔体积减小、压强增大，流体经入口、出口同时排出泵腔；同理，由于腔内流体绕流过球面的阻力远小于绕流过圆面的阻力，因而经出口排出的体积多于经入口排出的体积，实现了流体的排出过程。故在振子一个周期的振动中，就实现了泵的一次吸入、排出的工作过程，振子的循环往复振动，就形成了宏观上泵腔内流体的单向流动。

文献[14-16]中研究了单行、单列半球缺的球面和圆面对流体能够形成阻力差，使流体经由出、入管口同时流入或流出泵腔的体积不同，从而产生单向流动。而图1中按矩形规律排列的半球缺群无疑能将单行半球缺的阻力差放大，故半球缺群作为无移动部件阀相比于单行的半球缺而言，能够显著地提升无阀泵的泵送性能；同时，三个入口流管可以实现不同成分、比例流体的输入，不同成分的流体在流经半球缺群所形成的复杂流场中，由于旋涡和湍流的产生使得流体充分混合，经出口流管流出，实现了集流体的混合与输送的双重功能。

2泵理论解析

2.1压电振子振动解析

为探讨压电振子在工作中各点随时间变化的位置信息以进行泵腔容积变化的理论分析及计算，对半球缺群无阀泵用圆形双晶片压电振子的振动规律进行分析，图3是振子结构及其极坐标系示意图。

图3　压电振子及振子极坐标系Fig.3 Piezoelectric vibrator and vibrator in polar coordinate system

图3中，取振子中心为坐标原点，极轴沿振子半径方向，纵坐标轴沿振子振动方向，R为振子半径,w为弯曲变位,r为极径,k、v分别为振子的弹性系数与泊松比,H为振子厚度。这里认为k=(k0+kc)/2，v=v0=vc，其中k0，kc，v0，vc分别为基体材料、压电陶瓷的弹性系数与泊松比。

振子的Euler方程如下：

(1)

式中,z=ar/R；a4=ρHw2R4/D；D=(k0+kc)H3/[24(1-v2)]。

当z=0时，a能性的边界条件可由下式得到：

(2)

式(1)的解可以表示为：

w=wn(z)cos(nθ)

(3)

综合式(3)和式(1)，得到的方程满足贝塞尔微分方程，由此，式(3)中的wn可以表示为：

wn=AJn(z)+BIn(z)

(4)

这里Jn(z)、In(z)为第一种贝塞耳函数，In(z)为第一种变形贝塞耳函数，A、B是任意常数。以上方程即为分析振子振动形变方程，但其解析解不宜求出。

而压电振子在往复振动中，其振动形变曲面和旋转抛物面比较接近，因此为计算方便，可采用抛物面曲面方程模拟压电振子在各个工作阶段的振动形变方程。若设压电振子的初始状态(t=0)时的位置为水平位置，工作时开始向上振动，设压电振子上各点的振动幅值在压电泵的四个工作阶段保持不变，在每个阶段由振子振动形变而引起的泵腔容积变化量ΔV为[5]：

(5)

式中，w(r,T/4)为压电振子在各个工作阶段的各点振动幅值。

如图3所示，设压电振子中心的最大振幅为w(0,T/4)=A0，振子半径R处振幅为w(R,T/4)=w(-R,T/4)=0。由此三点可确定振子振动形变方程为：

w(r,T/4)=A0(1-r2/R2)

(6)

综合式(5)、式(6),可得到各个工作阶段泵腔容积变化量ΔV近似为[5]：

(7)

正是由于振子的往复振动，导致泵腔容积发生周期性的变化，引起泵腔内压强的变化，从而实现泵的吸入、排出流体的工作过程。

2.2泵流量推导

根据Singhal等的理论[17]，压电泵对流体的输送性能取决于无移动部件阀的特性，对半球缺群无阀压电泵而言，流体正、反向流经m行n列半球缺群时的总压强损失与流体的流阻系数、流速、密度存在如下关系：

(8)

(9)

式中，∑ΔpF,∑ΔpR为正、反向总压强损失;∑CDF,∑CDR为正、反向绕流半球缺群的总阻力系数;vF、vR为正、反向绕流半球缺群的平均速率;ρ为流体密度。

而总压强损失及总阻力系数与单个半球缺的压强损失及阻力系数存在如下关系：

(10)

(11)

根据参考文献[18]，压电泵单位时间的泵流量Q可表达为：

(12)

ΔV为压电泵一个振动周期内泵腔容积的最大变化量;f为压电振子振动频率。

由式(12)可知，当∑CDR-∑CDF≠0时，则压电泵单位时间的流量Q≠0，从而可使泵产生单向流动。

由于半球缺具有不对称的结构，其球面和圆面对流体的阻力不相等，所以半球缺群的正向和反向流阻也不相等，因而Q≠0，这种不为零的流阻差使得半球缺群无阀压电泵能够单向泵送流体。

3泵流量试验

为验证上述理论分析的正确及进一步研究电压、频率、半球缺群行、列数变化对泵流量的影响，进行以下泵流量试验。图4是泵流量测试原理图。无阀泵的泵流量测试是指零压差下的流量测量，其中，泵振子的驱动频率及电压分别由信号发生器和功率放大器提供，泵输出流量可利用高精度电子秤测量或通过直接读取刻度杯上的体积而得到，多次测试取其平均值；为确保零压差的流量测试条件， 泵的出、入口管液位应处于同一高度位置上。

1.信号发生器　2.功率放大器　3.泵样机4.刻度杯　5.电子秤　6.垫块　7.储液杯图4　泵流量测试原理示意图Fig.4 Schematic diagram of pump flow rate experiment

试验中，以纯净水为测试流体，以行列间距相等(SZ=SH=12 mm)、行列数均为3的半球缺群3×3为例，取电压U=160 V，改变频率(f=3～10 Hz)得到泵流量随频率变化的曲线，如图5所示。

图5　泵流量随频率变化的曲线Fig.5 Change curves of pump flow rate along with different frequency of the vibrator

分析图5可知，随着驱动频率的增加泵流量增加，当频率f增加至6 Hz时泵流量达到最大值51.1 mL/min，随着频率的继续增加泵流量降低。分析原因认为，f≈6 Hz应接近于低频段泵系统的谐振频率，因而振子的振幅达到最大，使泵腔内体积及压强变化均达到最大，因而泵吸入及排出流体的流量增至最大。

以同样参数的半球缺群，取频率为谐振频率(f=6 Hz)，改变驱动电压U，得到泵流量随电压变化的曲线，如图6所示。

图6　泵流量随电压变化的曲线Fig.6 Change curves of pump flow rate along with different voltage

分析图6可知，随着电压的增加泵流量呈增加趋势，试验测试电压最大取值为180 V时泵流量达到59.4 mL/min。分析原因认为，随着驱动电压的增加振子幅值增大，因而泵腔内体积及压强变化量增大，使泵吸入及排出流量增加。

依据以上测试结果，并兼顾振子的工作寿命，分别取驱动电压及频率为160 V、6 Hz，依次测试固定行、列间距(SZ=SH=12 mm)、改变行数的半球缺群1×3、2×3、3×3、4×3及改变列数的半球缺群3×1、3×2、3×3、3×4的泵流量，其测试结果如图7所示。

图7　泵流量随半球缺群行数、列数变化曲线Fig.7 Change curves of pump flow rate along with different row and column number of hemisphere-segment group

分析图7可知，在确定的行列间距(SZ=SH=12 mm)下，泵流量随着半球缺群行数、列数的增加而增加；行数大于列数的半球缺群(如4×3)对应的泵流量(53.2 mL/min)大于行列互置后半球缺群(如3×4)的泵流量(52.5 mL/min)。

分析原因认为，根据文献[15-16]，半球缺群行数由1行增加至4行及列数由1列增加至4列的过程中， 行数增加会加剧半球缺间流体的横向干扰影响效应，导致流体间的湍流、脉动、旋涡现象更加频繁，因而流体正、反向绕流半球缺群的阻力显著增大；列数增加会使同一行内前后半球缺间的遮流影响效应加剧，旋涡及旋涡的迂回现象严重，因而增大了流体正、反向绕流半球缺群的阻力。 同时由于反向圆面对流体的阻力大于正向球面及水头损失的叠加原理，使反向总阻力系数增加幅度大于正向，因而反、正向流阻差增加，可见，增加行数、列数会使泵流量增加。

但增加列数会使一行内前后半球缺间的遮流效应加剧，同时由于后半球缺处在前半球缺的尾流影响区内，因而后半球缺对流体的阻力减小甚至会出现阻力负值，导致总阻力系数及流阻差的增加幅度滞后于由增加行数引起阻力系数增加的幅度，因而导致行数大于列数的半球缺群对应的泵流量大于行列互置后半球缺群对应的泵流量。

4流场分析

4.1模型建立

利用FLUENT软件建立图1所示矩形排列半球缺群无阀压电泵模型，其结构几何参数如表1所示。仿真分析中，考虑到计算的经济性和合理性，泵腔内流体区域采用了适应性较强的非结构化网格；同时，为了准确获得压电泵内部流场的流动信息，对半球缺群区域、进出口区域进行了局部网格加密处理。迭代中采用网格自适应方式以提高数值解的精度；为方便与试验结果对比，采用按正弦规律变化的速度边界条件模拟压电振子的往复振动。由于入口流管的淹深很小(参考图4)，为分析方便，此处忽略由淹深造成的压强损失，出入口采用标准大气压。无阀压电泵的工作介质为水，视为粘性不可压缩牛顿流体，通过RNGk-ε湍流模型，数值分析连续性方程和N-S方程，获得速度、压强及阻力系数的变化规律。

表1　泵模型的几何参数

4.2半球缺群行数、列数变化对流场、流量及混合效果的影响

取固定行列间距(SZ=SH=12 mm)下的半球缺群行数、列数均由1增加至4时的半球缺群为例，进行流场的分析与研究。

4.2.1速度场分析

图8是半球缺群行数、列数的变化对速度场的影响。分析并对比图8中正、反向流动的速度场可知，正向来流时，来流受到半球缺光滑球面的阻挡而出现水位澭堵，流动阻力增加，水流被挤压致使近球面区域流体流速降低；同时部分流体经由横向排列半球缺间的间隙形成较小的间隙流及旋涡，使间隙内流体流速降低；而周边大部分流体绕流过半球缺后流速逐渐升高；反向来流时，来流受到半球缺陡直圆面的阻挡，出现大面积水位涌高，使流动阻力大幅度增加，流速显著降低；同时，澭滞的部分流体被挤入间隙形成间隙流和较大的旋涡，旋涡在间隙和半球缺间的迂回流动更加大了流动阻力，进一步消耗了动能，使流速大大降低；同时，因圆面波及到的周边流体区域显著大于球面，所以圆面的周边区域流体的流速也有所降低。综上所述，反向来流时速度及旋涡强度的变化均大于正向来流，说明反向来流时半球缺群对流体动能的消耗大于正向，因而反向阻力显著地大于正向阻力，揭示了半球缺群能够形成无移动部件阀的本质性原因。

4.2.2压强变化、阻力系数及混合效果分析

图8　半球缺群行数及列数变化对速度场的影响Fig.8 Influence of different row and column number of hemisphere-segment group on velocity field

图9　正向绕流半球缺群指定平面处压强取值点分布示意图Fig.9 Schematic diagram of pressure points distribution

由表2可知，随着半球缺群行数、列数的增加，正、反向绕流半球缺群的压强差及阻力系数均增加，且反向压强差及阻力系数增加的幅度显著地大于正向；同时，仿真流量随着流阻差的增加而增加。

综合速度场、压强场的变化，结合图8和表2的仿真结果可知，随着半球缺群行数、列数的增加，正、反向绕流半球缺群的流场中旋涡的强度及大小均显著增加，因而对流体的混合效果呈逐渐增强趋势。

4.2.3泵仿真流量与理论流量、试验流量的比较

泵理论流量按式(12)计算，双晶片压电振子直径为50 mm，利用CCD微位移传感器测试得到f=6 Hz(为泵的低频谐振频率)时的振幅为1.512 mm，正、反向阻力系数依据表2取值；泵理论流量、试验流量及仿真流量如图10所示。

分析图10可知，随着行数或列数的增加，仿真流量、理论流量及试验流量均增加，因而三者具有相同的定性增加趋势，但仿真流量与试验流量以先快后慢的趋势增加，理论流量以近似线性趋势平稳增加；增加行数比增加列数能获得更多的泵流量。

表2　绕流行数、列数变化的半球缺群压差、阻力系数及仿真流量的比较

图10　泵试验流量与仿真流量、理论流量随行数及列数变化的比较Fig.10 Comparison of experimental, simulation, and theoretical flow rate along with different row, column number of hemisphere-segment group

分析原因认为，随着行数列数的增加流阻差增加(参照表2)，因而仿真流量、理论流量和试验流量均增加；低行数、列数的半球缺群其对流体的阻挡、扰动区域及流动阻力均低于高行数、列数的半球缺群，因而仿真流量和试验流量曲线呈先快后慢趋势增加，而理论流量曲线是基于定常流模型、忽略真实绕流场得到的，只能反映理论流量表达式本身的函数模型，且由于图10中取点数较少故近似呈线性趋势变化；由于行数增加引发流体间干扰效应而产生的流阻差大于由于列数增加引发遮流效应而产生的流阻差，使增加行数比增加列数能获得更多的泵流量。

以上对三种流量的分析与比较验证了仿真及理论分析的正确；行变化的仿真流量、理论流量与试验流量的平均相对误差分别为39.1%、31.9%，列变化的仿真流量、理论流量与试验流量的平均相对误差分别为35.3%、28.4%。

误差较大，误差分析认为：理论流量公式的导出及仿真流量模型的建立均是在对瞬态流模型简化为定常流模型后导出的，这种模型移植忽略了瞬态流流场中湍流及脉动现象而消耗的能量，使理论流量、仿真流量均高于试验流量；同时，泵流量试验中产生的气穴、旋涡等现象也会消耗流体动能致试验流量减小。

4.3半球缺群行、列间距变化对流体混合效果的影响

以半球缺群3×4为例，固定列间距为SZ=8 mm，行间距分别取为SH=10、12、14 mm及固定行间距为SH=10 mm，列间距分别为SZ=8、10、12 mm的6组半球缺群进行仿真研究。

图11是行、列间距变化的半球缺群正反向速度云图。分析图11可知，其正反向速度变化规律与“4.2.1速度场分析”中半球缺群行数、列数的变化对速度场的影响极为相近，此处不再赘述；特别地，随着行、列间距的变化，其正、反向形成旋涡的大小和强度有所不同。间距增大，旋涡变大，湍流、脉动及旋涡的迂回增强；间距减小，旋涡变小，湍流及脉动减弱。

流体流经上述半球缺群区域，导致流场产生湍流、旋涡现象，旋涡越大、越强越有利于实现不同流体间的均匀混合。由于纵向和横向的多个半球缺的存在，使绕流过一列半球缺的流体形成的湍流和旋涡还没有散开，马上就被推进到下一列半球缺的流体区域，这样不同旋涡的层层叠加，能够实现不同流体间的高效混合。

5泵混合效果试验

为验证“4.3”节中仿真分析结果的正确，进行泵混合效果的试验。试验用半球缺群分别为1×4、3×4、3×4三组，其行列间距分别为SZ=8 mm，SH=SZ=8 mm，SH=14 mm、SZ=8 mm。试验中为清楚直观地显示流体的混合效果，此处只做两种流体相互混合的试验，如图12所示将一侧的入口管事先堵住并密封；同时，将与泵连接的出入口管用水平透明直管连接以确保零压差的测试条件，入口管末端用软管连接，如图12所示。两种待混合液体分别选为水粉(膏状)悬浊液和纯净水。因水粉膏体具有较高的粘稠度，经简单稀释后还能保留有部分未被溶解的固态大分子、颗粒等，易于进行混合试验前后状态的对比。

图11　半球缺群行、列间距变化对速度场的影响Fig.11 Influence of different row and column intervals of hemisphere-segment group on velocity field

1.电子秤　2.混合后紫罗兰液体　3.泵样机　4.纯净水5.紫罗兰水粉液　6.信号发生器　7.功率放大器图12　半球缺群无阀泵流体混合试验图Fig.12 Fluid mixing test forvalve-less pump with hemisphere-segment group

将稀释成具有一定浓度的紫罗兰水粉悬浊液分装成等量三份，针对每组半球缺群各取一份作为备用混合液体。试验时，取驱动电压及频率分别取为160 V、6 Hz，将2个入口管分别插入至紫罗兰和纯净水量杯中(淹深尽量的小)，出口管排出的即为经半球缺群无阀泵混合后的液体。 图13是对应三组半球缺群得到的混合后液体照片。

图13　流体混合效果对比图Fig.13 Comparison of fluid mixing effects

比较图13中的图(a)、(b)、(c)，图(a) 是列间距为SZ=8 mm的半球缺群1×4对应的混合液体，图中混合液体的颜色较深，颜色(浓度)深浅分布不均匀，杯中部、底部有大量沉淀物，杯中液体通透性较差；图(c) 是行、列间距为SH=14 mm、SZ=8 mm的半球缺群3×4对应的混合液体，图中液体颜色(浓度)分布均匀，杯中部及底部几乎看不到沉淀物，杯中液体整体透明度好；图(b) 是行、列间距为SH=SZ=8 mm的半球缺群3×4对应的混合液体，图中液体状态介于图(a)、(c)之间，杯底部有少量沉淀物，液体颜色(浓度)分布较均匀，通透性较好。

通过以上对比可看出，半球缺群的行数、列数由1×4(图a)增加到3×4(图b、c)时，流体的混合效果渐趋均匀；半球缺群的行间距由SH=8 mm增加到14 mm时，混合均匀度逐渐提高。以上结果间接验证了增加行数、列数及行列间距即能增强旋涡的强度及大小，有利于实现不同流体间均匀混合的结论。

6结论

通过理论分析、试验验证和仿真研究对半球缺群无阀泵的泵送和混合效果进行了深入研究，主要得到以下结论：

(1) 利用压电振动驱动流体机理，提出了一种能够实现集流体混合和泵送为一体的新型半球缺群无阀泵，进行了泵送原理、振动及泵理论流量的解析，并进行了泵流量的试验验证。

(2) 针对半球缺群行数、列数的变化对半球缺群无阀泵泵送性能及混合效果的影响进行了仿真研究，得到了增加行数、列数对速度场、压强差及阻力系数的影响规律，揭示了增加行数、列数能够增加反、正向流阻差进而增加仿真及试验流量的本质；探寻到增加行数、列数均能增强旋涡强度因而能够提高不同流体间的混合效果。

(3) 针对半球缺群行、列间距的变化对流体间混合效果的影响进行了仿真研究，发现间距变化对旋涡的大小及强弱有较大影响，得到了增加半球缺群的行、列间距能够使绕流场产生更大更强的旋涡，从而有利于提高泵的混合泵送效果的结论并进行了试验验证。

参 考 文 献

[ 1 ] 张宁,杨敏官,高波.等.侧壁式压水室离心泵小流量非稳态旋转失速特性[J].振动与冲击,2015,34 (6):189-194.

ZHANG Ning, YANG Min-guan, GAO Bo, et al. Unsteady rotating stall characteristics in a centrifugal pump with slope volute at low flow rates[J]. Journal of Vibration and Shock, 2015, 34(6):189-194.

[ 2 ] 张金凤,王文杰,方玉建,等.分流叶片离心泵非定常流动及动力学特性分析[J].振动与冲击,2014,33(23): 37-41.

ZHANG Jin-feng, WANG Wen-jie, FANG Yu-jian, et al. Influence of splitter blades on unsteady flow and structural dynamic characteristics of a molten salt centrifugal pump [J]. Journal of Vibration and Shock, 2014, 33(23):37-41.

[ 3 ] 李彬,夏虹. 基于最优小波基的主泵裂纹转子特征识别研究[J]. 振动与冲击, 2014, 33(21): 207-212.

LI Bin, XIA Hong. Feature recognition of cracked rotor of RCP based on optimal wavelet basis [J]. Journal of Vibration and Shock, 2014, 33(21):207-212.

[ 4 ] 王秀礼,袁寿其,朱荣生,等. 瞬变工况下叶片数对核主泵径向力影响的研究[J].振动与冲击,2014, 33(21): 51-59.

WANG Xiu-li, YUAN Shou-qi, ZHU Rong-sheng, et al. Effect of number of blades on reactor coolant pump radial force under variable flow transition conditions [J]. Journal of Vibration and Shock, 2014, 33(21): 51-59.

[ 5 ] 张建辉, 路计庄, 夏齐霄, 等.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[J].机械工程学报,2008,44(9): 92-99.

ZHANG Jian-hui, LU Ji-zhuang, XIA Qi-xiao.Working principle and flux characteristics of valve-less piezoelectric pump with Y-shape tubes for transporting cells and macromolecule[J]. Chinese Journal of Mechanical Engineering, 2008,44(9): 92-99.

[ 6 ] Izzo I, Accoto D, Menciassi A, et al. Modelling and experimental validation of a piezoelectric micropump with novel no-moving-part valves[J]. Sensors and Actuators A, 2007, 133(18):128-140.

[ 7 ] Huang Jun, Zhang Jian-hui,Wang Shou-yin, et al. Analysis of the flow rate characteristics of valveless piezoelectric pump with fractal-like Y-shape branching tubers[J]. Chinese Journal of Mechanical Engineering,2014,27(3):628-634.

[ 8 ] Huang Yi, Zhang Jian-hui, Hu Xiao-qi, et al. Dynamics analysis and experiment on the fishtailing type of valveless piezoelectric pump with rectangular vibrator[J] . Science China Technological Sciences, 2010,53(12):3241-3247.

[ 9 ] Rife J C, Bell M I, Horwitz J S, et al. Miniature valveless ultrasonic pumps and mixers[J]. Sensors and Actuators A, 2000, 86(1/2): 135-140.

[10] Sheen H J, Hsu C J. Experimental study of flow characteristics and mixing performance in a PZT self-pumping micromixer[J]. Sensors and Actuators A, 2007, 139(2): 237-244.

[11] Xia Qi-xiao, Zhang Jian-hui, Lei Hong, et al. Theoretical analysis of novel valveless piezoelectric pump with cluster of unsymmetrical hump structure[J]. Optics and Precision Engineering,2008, 16(12):2391-2397.

[12] Xia Qi-xiao, Zhang Jian-hui, Lei Hong, et al. Theoretical analysis and experimental verification on flow field of piezoelectric pump with unsymmetrical slopes element[J].Chinese Journal of Mechanical Engineering,2009, 22(5):735-744.

[13] Xia Qi-xiao, Zhang Jian-hui, Lei Hong, et al. Analysis on flow field of the valveless piezoelectric pump with two inlets and one outlet and a rotating unsymmetrical slopes element[J]. Chinese Journal of Mechanical Engineering,2012, 25(3): 474-483.

[14] Ji Jing, Zhang Jian-hui, Xia Qi-xiao,et al. Theoretical analysis and experimental verification on valve-less piezoelectric pump with hemisphere-segment bluff-body[J]. Chinese Journal of Mechanical Engineering, 2014, 27(3): 595-605.

[15] 纪晶，张建辉，陈道根，等. 无阀压电泵半球缺阻流体横向排列流阻干扰特性研究[J]. 农业机械学报，2014,45(9)：340-346.

JI Jing, ZHANG Jian-hui, CHEN Dao-gen, et al. Research on flow resistance interference property of hemisphere-segment arranging in transverse for valve-less piezoelectric pump with hemisphere-segment [J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2014,45(9)：340-346.

[16] 纪晶, 张建辉, 季瑞男, 等. 半球缺纵向排列对半球缺阻流体无阀泵的影响[J]. 振动、测试与诊断, 2014,34(6):1-8.

JI Jing, ZHANG Jian-hui, JI Rui-nan, et al. Effect of hemisphere-segments longitudinal arrangement on valve-less piezoelectric pump [J]. Journal of Vibration, Measurement & Diagnosis, 2014,34(6):1-8.

[17] Singhal V, Garimella S, Murthy J. Low Reynolds number flow through nozzle-diffuser elements in valveless micropumps[J]. Sensors and Actuators, 2004, 113(2): 226-235.

[18] 张建辉,王守印.压电锥形流管无阀泵的研究——单向流动原理及泵流量[J].压电与声光,2001,23(1)：23-25.

ZHANG Jian-hui, WANG Shou-yin.Study of piezoelectric valveless diffuser/nozzle-based fluid pump: one-way flow principle and the pump flow[J]. Piezoelectric & Acoustooptics. 2001, 23(1)：23-25.

Tests for a valve-less pump with hemisphere-segment group driven by a piezoelectric vibrator and its performance analysis

HUCai-qi1,WUDian-liang1,JIJing1,HUXiao-qi2(1. College of Mechanical and Electrical Engineering, Qingdao Agricultural University, Qingdao 266109, China;2. College of Engineering and Design, Lishui University，Lishui 323000, China)

Abstract:In order to meet requirements of micro flow or small flow piezoelectric fluid mixing and conveying, a valve-less pump with hemisphere-segment group integrating fluid mixing and conveying was proposed. In the pump, the resistances of fluid flow on spherical surface and semi-circular flat surface of hemisphere-segment were unequal. Through vibration of a piezoelectric vibrator, fluid was conveyed in one-way. Meanwhile, adopting hemisphere-segments’ covering and interfering fluids to cause turbulences and vortexes, fluids were mixed effectively. The working principle of the pump, the vibration characteristics of the piezoelectric vibrator, and the theoretical flow rate of the pump were analyzed. Then, the relationships of flow rate and voltage, vibrator frequency, and different rows and columns of hemisphere-segment group were tested. It was shown that the resonance frequency of the pump system is 6 Hz; with the driving voltage of 160 V, the driving frequency of 6 Hz and the hemisphere-segment array group 4×3, the pump flow rate reaches 53.2 mL/min; with the driving voltage of 180 V, the driving frequency of 6 Hz and the hemisphere-segment array group 3×3, the pump flow rate reaches 59.4 mL/min. Finally, the influences of different rows and columns, spacing and number of hemisphere-segment group on fluid mixture effect were simulated and tested. The results showed that increasing rows, columns, spacing and numbers can improve the mixture effect of different fluids. The tests and simulations verified that the valve-less pump with hemisphere-segment group can realize mixing and conveying fluids.

Key words:piezoelectric vibrator; hemisphere-segment group; valve-less pump; fluid; mixing; convey

中图分类号:Th15；Th18

文献标志码：A

DOI:10.13465/j.cnki.jvs.2016.05.021

通信作者纪晶 女，博士，讲师，1974年12月生

收稿日期：2015-05-05修改稿收到日期：2015-10-08

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51375227; 51475221); 浙江省自然基金资助项目(LY13E050015);青岛农业大学名校工程资助项目

第一作者 胡彩旗 女，博士，副教授，1974年11月生