双入口压电泵的流体混合仿真分析与验证

李立安,曾平,董景石,程光明,吴迪

(1.吉林大学 机械科学与工程学院，吉林 长春 130025； 2.浙江师范大学 精密机械研究所，浙江 金华 321004)



双入口压电泵的流体混合仿真分析与验证

李立安1,曾平1,董景石1,程光明2,吴迪1

(1.吉林大学 机械科学与工程学院，吉林 长春 130025； 2.浙江师范大学 精密机械研究所，浙江 金华 321004)

为简化微流体混合器的结构，在单腔体有阀压电泵的基础上，设计了一种新型的双入口压电泵。对双入口压电泵的结构及工作过程进行了分析，得出双入口压电泵可以实现两种流体的主动混合。为进一步研究双入口压电泵在进行流体混合时的混合形态，利用Fluent软件，对双入口压电泵工作过程中，泵腔内的流场形态进行模拟仿真，得出结论：双入口压电泵工作时，两个入口吸入的流体在泵腔内不发生混合，在出口单向阀处混合后输出。为验证仿真结果，对双入口压电泵进行流体混合试验测试，测试结果表明：双入口压电泵在工作时，泵腔内两种流体的交界面清晰，并不进行混合，在出口处混合后输出，与仿真结果一致。进一步测试了在不同驱动频率下，双入口压电泵的两入口吸入量占泵出量的百分比，得出结论:双入口压电泵的两入口吸入量占泵出量的百分比随着驱动频率的变化而发生变化，可以通过调节双入口压电泵的驱动频率来控制混合后流体的性质。

微流体；压电泵；双入口；混合；仿真分析；Fluent软件

网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1390.u.20160704.1436.002.html

微流体混合器是微流体混合系统的重要组成部分，其主要功能是实现微流体的混合，在化学分析、生物及化学传感等领域有着广泛的应用。根据其工作方式可以分为主动混合器和被动混合器两种。主动混合器主要是依靠外加在流体上的一些主动控制来干扰流场以加强分子的扩散和质量的传输实现混合。被动混合器主要是采取特殊的几何形状使流体产生横向或无序流动从而达到混合的目的。主动式混合器的优点是易于控制，缺点是除混合装置外还需要额外的能量及其产生部件，制作复杂。被动式混合器需较长的混合通道，且混合过程不可控[1-7]。

压电泵是把驱动元件、传动元件和执行元件三者融为一体的流体泵，所以它比传统的流体泵体积小，并且消除了运动部件可能产生的压力损失、磨损以及疲劳破坏，简化了泵的结构。由于压电泵具有体积小、结构简单、无电磁干扰、工作噪音小、易于加工、便于微型化等诸多优点，目前已经应用在微流体混合器中，作为微流体混合器的动力元件，提供流体流动的动能，控制流体按比例输出并在微通道内混合。但在目前研究的微流体混合器中，压电泵的数量取决于需要混合的流体的种类，不利于实现微流体混合器的小型化[8-10]。

基于对微流体混合器及压电泵的使用情况的分析，在以往对压电泵的研究及使用基础上，为使用压电泵实现微流体混合，本文提出一种新型的双入口压电泵。通过增加单腔体压电泵入口的个数来实现同时吸入两种不同的流体，使用一个压电泵就能够实现两种微流体的主动混合，从而简化微流体混合器的结构。对双入口压电泵工作过程中，泵腔内的流体流动状态进行仿真分析，同时进行试验验证，研究双入口压电泵进行流体混合的工作过程及流体的混合形态。

1　双入口压电泵的结构与工作过程

双入口压电泵的结构如图1所示，它由压电振子、泵体、伞形单向阀和入/出口管道组成。双入口压电泵有两个入口，两个入口的中心点与出口的中心点的距离相等，两个入口单向阀，与出口单向阀布置在同一水平线上，对称布置在出口的两侧。

图1　双入口压电泵的结构示意图Fig.1　Structure of dual-inlet piezoelectric pump

当压电振子在外部激励的作用下向下弯曲振动时，泵腔的容积增加，泵腔内的压力减小。当外界压力与泵腔压力的差值大于入口单向阀的开启压力时，两个入口单向阀开启，出口单向阀关闭，流体在压力差的作用下经由两个入口管道同时流入泵腔中。当压电振子在外部激励的作用下向上弯曲振动时，泵腔容积减小，泵腔内的压力增大。当泵腔压力与外界压力的差值大于出口单向阀的开启压力时，两个入口单向阀关闭，出口单向阀开启，泵腔内的流体在泵腔压力的作用下经出口管道排出。压电振子在外加交流信号的作用下往复弯曲振动，泵腔容积不断地变化，流体分别由两个入口进入，再由出口排出，形成连续流动。由双入口压电泵的工作过程可以得出，双入口压电泵的两个入口可以同时吸入两种流体。如果使两个入口分别吸入两种不同的流体，双入口压电泵可以实现两种流体的混合及输送。

2　双入口压电泵的仿真分析

2.1泵腔内流体的流动状态分析

流体在流动时有两种流态，即层流与湍流。流态从层流转化为湍流以雷诺数(Re)表示为

(1)

式中：u为流体的平均流速，ρ为流体的密度，μ为流体的动力粘性系数，υ为流体的运动粘性系数，d为管道直径。

当Re>13 800时，流体的流动状态是湍流；当Re<2 320流体的流动状态是层流；当2 320

对于双入口压电泵，在压电振子的每一个振动周期内，由出口排出的最大输出流量等于泵腔容积的变化量，其最大输出流量可以表示为

(2)

式中：ΔV为每一个振动周期内泵腔容积的变化量，f为压电振子的振动频率。

每一个振动周期内泵腔容积的变化量与压电振子的变形量及泵腔的容积有关，可以表示为[11]

(3)

式中：D为压电振子的直径，δ为压电振子在每一个振动周期内的变形量。根据压电方程，可以得出压电振子在每一个振动周期内的变形量为

(4)

式中：d31为压电常数，t为压电陶瓷的厚度，U为外部驱动电压的有效值。

于是可以得出，双入口压电泵的最大输出流量表达式为

(5)

根据双入口压电泵的各结构参数以及式(1)，经过计算，入/出口管道直径均为5 mm的双入口压电泵在输送纯净水时，层流状态时的流速上限为0.464 m/s，相当于流量为546.6 ml/min；根据式(2)～(5)计算得出双入口压电泵在120 V电压驱动下的理论最大输出流量小于层流状态流量的上限值。因此可知，双入口压电泵在工作时，泵腔内部流体的流动状态处于层流状态。仿真分析过程中，仅针对双入口压电泵的泵腔内流体处于层流状态时进行分析。

2.2双入口压电泵的仿真模型建立

为研究双入口压电泵在进行流体混合时泵腔内流体的混合状态，应用Fluent软件对双入口压电泵的泵腔内流体在阀片打开状态时的流场形态进行模拟仿真，求解双入口压电泵的泵腔中心对称面上的压力分布情况和流线矢量状态，从而确定双入口压电泵泵腔内的流体流动及混合情况。

首先建立双入口压电泵的仿真模型，在建立仿真模型时进行了如下简化：1)假设泵腔内的流体的温度、粘度和密度等属性不随时间发生变化，且不可被压缩；2)由于在一个工作周期内压电振子的变形量远小于泵腔的容积，建立模型时忽略掉压电振子的变形量；3)对阀片开启时的状态进行模拟，将伞形阀设定为无变形量的固定薄片，流体流经阀片时将产生绕流流动；4)只建立泵腔中心对称面上的二维模型。双入口压电泵的二维模型采用Gambit软件建立，并对其进行网格划分，如图2所示。

图2　双入口压电泵的二维网格划分图Fig.2　Mesh of dual-inlet piezoelectric pump

2.3双入口压电泵的仿真结果分析

应用Fluent软件对双入口压电泵的模型进行仿真分析，首先分析当两个入口的流体流速相等时，双入口压电泵的工作状态。设定边界载荷条件为：1)出口为自由流动，出口压力为零；2)两入口流体流速相等，均为0.2 m/s；3)流体介质为纯净水，粘度为0.001 Pa·s，密度为1 000 kg/m3。对双入口压电泵的泵腔内流体在阀片打开状态时的流场形态进行模拟仿真。图3和图4分别为双入口压电泵的泵腔内压力分布图和流线矢量图。

图3　两入口流体流速相等时泵腔内压力分布图Fig.3　Pressure distribution of the pump chamber when the liquid velocities of the two inlets are equal

图4　两入口流体流速相等时泵腔内流线矢量图Fig.4　Streamline vector of the pump chamber when the liquid velocities of the two inlets are equal

从图3中可以看出，当双入口压电泵的两入口流体的流速相等时，两入口段压力分布情况相同，两入口段的压力要高于出口段的压力。从图4中可以看出，最大流速出现在出口单向阀的边缘处，左侧流体主要从出口单向阀的左侧绕流流动，右侧流体主要从出口单向阀的右侧绕流流动，两侧流体在出口单向阀背侧发生混合。由仿真分析结果可知，双入口压电泵的两入口吸入流体的流速相等时，两种流体在泵腔内均匀分布，且不发生混合，在出口单向阀的背侧，即泵腔出口处混合后输出。

当双入口压电泵的两个入口吸入两种不同的流体时，两入口的流体流速会有不相等的情况，因此，进一步分析双入口压电泵的两入口流体流速不等时，双入口压电泵泵腔内部流体的流动情况。设定左边入口的流速为0.1 m/s，右边入口的流速为0.2 m/s，其他边界载荷条件不变。对双入口压电泵的泵腔内流体在阀片打开状态时的流场形态进行模拟仿真。图5和图6分别为两入口流体流速不等时双入口压电泵泵腔内压力分布图和流线矢量图。

图5　两入口流体流速不等时泵腔内压力分布图Fig.5　Pressure distribution of the pump chamber when the liquid velocities of the two inlets are different

图6　两入口流体流速不等时泵腔内流线矢量图Fig.6　Streamline vector of the pump chamber when the liquid velocities of the two inlets are different

从图5中可以看出，当两入口流体流速不等时，两入口段的压力仍然高于出口段的压力，但两入口段压力分布数值不相同，流体流速高的入口段压力要高于流体流速低的入口段的压力。从图6中可以看出，当两入口流体流速不等时，右侧流速高的流体一部分从出口单向阀的右侧绕流流动，另一部分通过泵腔流到出口单向阀的左侧与左侧流速低的流体交界后从出口单向阀的左侧绕流流动。由仿真分析可知，当双入口压电泵的两入口吸入流体的流速不相等时，两种流体在泵腔内仍然是均匀分布，不发生混合，在出口处混合后输出。

通过对双入口压电泵泵腔内的流体流动形态进行仿真分析可以得出：由于双入口压电泵的泵腔内流体处于层流状态，无论两个入口处流体的流速是否相同，两个入口吸入的流体都是在出口单向阀处混合并输出，没有在泵腔内发生混合。

3　双入口压电泵的流体混合验证

为验证仿真分析的结果并观察双入口压电泵的实际流体混合形态，对双入口压电泵进行了流体混合试验。制作了双入口压电泵的试验样机，图7所示为双入口压电泵的样机实物图。双入口压电泵的外形尺寸设计为70 mm×70 mm×30 mm，壳体使用有机玻璃加工而成，入/出口单向阀使用伞形橡胶阀，入/出口管道直径均为5 mm，泵腔高度为0.7 mm。采用一片圆形双晶片压电振子驱动，压电陶瓷直径为50 mm，厚度为0.2 mm，铜基板直径为55 mm，厚度为0.2 mm。搭建了双入口压电泵的试验测试系统，对双入口压电泵进行了流体混合试验测试。试验过程中，采用正弦电压信号驱动，驱动电压有效值为120 V。

图7　双入口压电泵的实物图Fig.7　Photograph of dual-inlet piezoelectric pump

3.1两入口吸入同种流体的试验测试

首先，使双入口压电泵的两个入口同时吸入同种流体。为了观察试验效果，试验介质使用加入了不同颜色的水溶液。试验测试了在不同驱动频率下，双入口压电泵进行流体混合的工作状态，试验现象如图8所示。

从图8中可以看出，双入口压电泵在工作时，泵腔内两种流体的交界面清晰，并不在泵腔内部发生混合，在出口处发生混合后输出，与仿真分析的结果一致。当压电振子的驱动频率固定时，两侧流体交界的位置固定不变。当压电振子的驱动频率发生变化时，双入口压电泵的两个入口吸入的流体流量发生变化，两种流体的交界面位置变化，但混合形态不变。

测试了双入口压电泵在不同驱动频率下，两个入口吸入流量占泵出量的百分比，测试结果如图9所示。从图中可以看出，随着驱动频率的变化，两个入口的吸入量占泵出量的百分比是变化的，在不同频率下，即使两个入口吸入的是同种液体，但两个入口的流体流速并不相同，双入口压电泵并没有实现等比例混合。

图8　两入口吸入同种流体时的工作状态Fig.8　The working status of the pump when the liquids of the two inlets are the same

图9　不同驱动频率下两入口吸入量占泵出量的百分比Fig.9　The percentage of the output flow rate for the intake of each entrance when the liquids of the two inlets are the same

3.2两入口吸入不同流体的试验测试

改变双入口压电泵两个入口吸入流体的粘度，使双入口压电泵的两个入口同时吸入不同流体。试验介质选用带有颜色的水溶液及50%的甘油水溶液(其粘度为53.71 Pa·s)进行试验。

图10为双入口压电泵的两入口分别通入带有颜色的水溶液和50%甘油水溶液时的工作状态图，从图中可以看出，泵腔内的流体仍然处于层流状态，混合状态与两入口通入同种流体时相同。

测试了在不同驱动频率下，两个入口吸入流量占泵出量的百分比，测试结果如图11所示。从图中可以看出，随着驱动频率的变化，两个入口的吸入量占泵出量的百分比也是变化的。

对比图10、图11可以看出，当两个入口分别吸入不同粘度液体时，两个入口的流速不同，因此两入口的吸入量也不同，实现不等比例混合，且混合的比例会随着驱动频率的变化而发生变化。其主要原因是在不同驱动频率下，压电振子及伞形单向阀的频率响应不同，导致双入口压电泵的输出性能随驱动频率变化较大。

图10　两入口吸入不同流体时的工作状态Fig.10　The working status of the pump when the liquids of the two inlets are different

图11　不同驱动频率下两入口吸入量占泵出量的百分比Fig.11　The percentage of the output flow rate for the intake ofeach inlet when the liquids of the two inlets are different

综上所述，当双入口压电泵的两个入口分别吸入两种流体时，随着驱动频率的变化，两入口吸入量占泵出量的百分比发生变化，可以通过调节双入口压电泵的驱动频率来控制混合后流体的性质。

4　结论

本文将压电泵作为一种流体混合装置，设计了流体混合用双入口压电泵，并对其进行仿真分析和试验验证，得出以下结论：

1) 通过结构设计及工作过程分析，得出双入口压电泵能够实现两种流体的混合；

2) 通过计算对比，得出双入口压电泵的泵腔内流体的流动状态是层流；

3) 通过仿真分析，得出双入口压电泵工作时，泵腔内的流体在泵腔内不发生混合，两种流体的交界面清晰，在出口处进行混合；

4) 通过试验验证，得出双入口压电泵的两入口分别吸入两种流体时，泵腔内流体交界面清晰，不发生混合，在出口处进行混合，与仿真结果一致。随着驱动频率的变化，两入口吸入量占泵出量的百分比发生变化，可以通过调节双入口压电泵的驱动频率来控制混合后流体的性质。

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本文引用格式：

李立安, 曾平, 董景石， 等. 双入口压电泵的流体混合仿真分析与验证[J]. 哈尔滨工程大学学报, 2016, 37(8): 1124-1129.

LI Li′an, ZENG Ping, DONG Jingshi, et al. Simulation and experimental study on fluidic mixing of a dual-inlet piezoelectric pump [J]. Journal of Harbin Engineering University, 2016, 37(8): 1124-1129.

Simulation and experimental study on fluidic mixing of a dual-inlet piezoelectric pump

LI Li′an1, ZENG Ping1, DONG Jingshi1, CHENG Guangming2, WU Di1

(1. College of Mechanical Science and Technology, Jilin University, Changchun 130022, China;2. Institute of Precision Machinery, Zhejiang Normal University, Jinhua 321004, China)

To simplify the structure of a microfluidic mixer, a novel dual-inlet piezoelectric pump was presented based on the previous studies concerning single-chamber piezoelectric pumps. Structural design and working principle analysis were performed on the dual-inlet piezoelectric pump. It was observed that actively mixing two types of liquids was feasible for dual-inlet piezoelectric pumps. Furthermore, the simulation of the flow field when the pump was working was performed using the Fluent software. It was noticed that when the dual-inlet piezoelectric pump was working, the two types of fluids from the two inlets would mix behind the output check valve instead of in the pump chamber. This fluidic mixing in dual-inlet piezoelectric pumps was experimentally investigated to confirm the simulation results. The testing results showed when the dual-inlet piezoelectric pump was working, the boundaries of the two types of fluids were clear; the two types of fluids mixed behind the output check valve, validating the simulation results. Finally, the percentages of intake flow rates of the two inlets to output flow rates under different driving frequencies were tested. Deriving the fact that the percentages of intake flow rates of the two inlets to the output flow rates changed with the driving frequencies, the property of the output fluid can be controlled by altering the driving frequency of the dual-inlet piezoelectric pump.

microfluid; piezoelectric pump; dual-inlet; mixing; simulation; fluent software

2015-10-16.网络出版日期：2016-07-04.

国家自然科学基金项目(51375207,51205369).

李立安(1985-)，男，博士研究生;

董景石(1973-)，男，副教授，博士.

董景石， E-mail:dongjs@jlu.edu.cn.

10.11990/jheu.201510038

TH38

A

1006-7043(2016)08-1124-06