钹型开槽式阀压电泵的流固耦合分析

黄俊田鹏

摘要：随着科学技术的发展，电子器件的散热问题对微流体传输提出了更高的要求，也极大的促进了微泵的发展。以压电陶瓷作为驱动元件的压电泵在微流体传输方面的所具有的优势越来越显著，它结构简单，利于微型化、集成化、流量可控，响应快、无电磁干扰，极大的吸引力国内外的研究学者的关注。频繁响应的阀的可靠性直接影响着泵的工作性能，但目前对于段时间内频繁开合的阀的可靠性却极少被关注。为此，本研究提出了一种钹型开槽式阀体，该阀由钹型格栅和钹型开槽膜片组成。针对在压电泵工作的钹型开槽阀，本文通过有限元分析软件Ansys基于流固耦合的方法分析了钹型开槽阀在不同频率工作下的应力情况。根据计算结果，得出在压电泵正常输出的工作频率范围内，频率为418Hz时，膜片所受应力的计算值达到最大，为81.74MPa。该研究验证了钹型开槽式阀体压电泵的有效性。

关键词：压电泵；流固耦合；仿真分析

1引言

基于压电泵内是否有止回阀的标准，可以分为有阀压电泵和无阀压电泵。此外，阀压电泵又可分为主动阀压电泵和被动阀压电泵，而被动阀压电泵由于结构简单、易于小型化而备受研究人员的关注[1-4]。2006年，韩国机械材料研究院的Ham等人针对有阀压电泵中的阀做了优化处理，设计了一种弯曲链杆结构的板阀，极大地增大了阀门的响应速度[2]。2010年，Hwang等人设计了一种可用于燃料电池原料供给的往复式压电泵[3]。该泵结构紧凑，输出效率高能耗低，输出频率低，并且输出稳定。2010，张建辉提出了一个软质内外不等锥度锥壳单阀压电泵，以减小阀体开合的撞击效应并增大了输出流量[4]。2014年，刘等人提出了一种基于PZT阀压电泵，并进一步设计了一种胰岛素给药系统。这种压电泵有两个泵腔和三个被动阀，通过调节电压和频率可以实现精确的药物供应。2015年，MA等提出了一种适合于药物输送的可分离压电泵。由于驱动部分与给药单元分离设计，可有效避免药物输送中的二次污染。CAZORLA等人用标准MEMS技术制作了一种由硅和PZT薄膜组成的功能微泵。这种泵的特点是低电压驱动。2016，张建辉提出单压电振子和多个被动阀的压电泵来消除压电泵的回流现象。当泵中的被动阀数目固定时，可通过改变进出阀的结构来抑制输出压力的波动，从而有效地减小压电泵的回流。

然而，作为泵的核心部件，高频往复运动与止回阀容易使阀门产生疲劳损伤。特别是当止回阀工作在流体中时，会产生较大的应力，容易引起应力集中，从而加重止回阀的疲劳损伤和失效。因此，压电泵不能正常工作。有学者提出了一种心脏瓣膜式止回阀，模拟了人体心脏瓣膜的工作原理，增加了瓣膜的变形，降低了瓣膜的压力。基于这种结构，黄俊等提出了一种仿生钹形开槽阀，并对其应力进行了分析。

本文将钹形开槽阀应用于阀压电泵，分析了钹形开槽阀压电泵的工作原理。然后，对钹形开槽阀压电泵的泵特性和振动特性进行了实验研究。此外，建立了钹形槽阀压电泵的有限元模型，并基于流体力学方法计算了钹槽膜片的应力。最后，对钹形缝隙阀压电泵的性能进行了测试，验证了阀的有效性。

2工作原理

图1为钹形开槽阀的结构，主要由钹形格栅和钹形开槽膜片组成。当流体从格栅流向隔膜时，阀门打开；当流向相反时，阀门关闭。膜片的位移随流体压力的大小而变化，因此流速可以被动调节。钹形槽阀压电泵主要由泵盖、压电振动器，泵室，两钹形槽阀，进口管和出口管，如图2所示。