外文翻譯--IPMC致動(dòng)器驅(qū)動(dòng)的無(wú)閥微型泵設(shè)計(jì)及其在低雷諾數(shù)下的流量估計(jì)

附錄 外文文獻(xiàn)翻譯 外文原文 中文翻譯 動(dòng)器驅(qū)動(dòng)的無(wú)閥 微型泵設(shè)計(jì)及其在低雷諾數(shù)下的流量估計(jì) ee 性材料和加工實(shí)驗(yàn)室，機(jī)械工程學(xué)院 ，內(nèi)華達(dá)大學(xué) 摘要 本文介紹了 由 離子高分子金屬?gòu)?fù)合 材料 ）驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng) 的無(wú) 閥微型泵 的設(shè)計(jì)和流量估計(jì)。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)于微型泵應(yīng)用來(lái)說(shuō)， 一種非常有前途的材料，因?yàn)樗梢杂玫洼斎腚妷嚎刂撇a(chǎn)生較大的存儲(chǔ)容量，同時(shí)可以對(duì)流速進(jìn)行控制。使用 微型泵制造工藝簡(jiǎn)單；可以預(yù)計(jì) 型 泵的制造成本與其他技術(shù)相比是非常有競(jìng)爭(zhēng)力的。為了有效地設(shè)計(jì)一個(gè)作為微型泵的驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的 膜，利用有限元分析（ 膜的電極形狀進(jìn)行優(yōu)化并且對(duì)他的存儲(chǔ)容量進(jìn)行估計(jì)。此外，利用數(shù)值研究泵室壓力對(duì)存儲(chǔ)容量產(chǎn)生的影響。同時(shí)也研究無(wú)閥 微型泵 的適當(dāng)?shù)倪M(jìn)出口，噴嘴 /擴(kuò)散元件。以選定幾何形狀的噴嘴 /擴(kuò)散元件和 膜的估計(jì)存儲(chǔ)容量為基礎(chǔ)，在 50 左右的低雷諾系數(shù)下對(duì)微型泵的流量進(jìn)行估計(jì)。 1. 介紹 微型泵是非常有吸引力的設(shè)備，因?yàn)樗鼈兛梢员挥脕?lái) 作 為配藥治療 器具， 冷卻微電子系統(tǒng) ，發(fā)展微小全分析系統(tǒng)，推進(jìn)微型 航天器等 1 對(duì)于這樣的各種各樣的應(yīng)用 ，許多類型的微型泵已經(jīng)開(kāi)發(fā) ， 但一般分為兩類 ： 機(jī)械微型泵 （即壓電 式，靜電式，熱氣動(dòng)式，磁式等）和非機(jī)械微型泵（即電滲式，電泳式，電流體動(dòng)力式，磁流體動(dòng)力式等）。與此同時(shí)，基于進(jìn)出口機(jī)構(gòu)不同，各類微型泵也分為閥式微型泵和無(wú)閥微型泵 1,2,4。無(wú)閥微型泵，使用噴嘴 /擴(kuò)散元件，很容易 制成 小 體積且 可避免 磨損和疲勞的移動(dòng)部件 。 為了使機(jī)械種類的微型泵產(chǎn)生存儲(chǔ)空間，隔膜被廣泛應(yīng)用 1,2。 壓電驅(qū)動(dòng)隔膜通常產(chǎn)生高驅(qū)動(dòng)力和快速的機(jī)械響應(yīng)，但是他們需要高的輸入電壓。隔膜產(chǎn)生的 存儲(chǔ)空間相對(duì)較小。熱氣動(dòng)式驅(qū)動(dòng)隔膜 7需要低輸入電壓，產(chǎn)生高泵率，而且結(jié)構(gòu)可以非常接湊，但是高功率消耗和較長(zhǎng)的熱時(shí)間常數(shù)是其主要缺點(diǎn)。 靜電驅(qū)動(dòng)隔膜 8有快速響應(yīng)時(shí)間 ，微電機(jī)械系統(tǒng)（ 容性好和低功率消耗的優(yōu)點(diǎn)， 但是小的驅(qū)動(dòng)器行程，較差的降解性能和高輸入電壓是使用這一隔膜的主要阻礙。 電磁驅(qū)動(dòng)隔膜 9有 較快速的相應(yīng)時(shí)間， 但他們沒(méi)有得到很好的 與且 需要高能耗 。 0一種新型的，非常有前途的材料用于微型泵的驅(qū)動(dòng)隔膜。機(jī)電驅(qū)動(dòng)的 低輸入電壓下（ 2V）有能力產(chǎn)生更 大的彎曲變形（超過(guò) 1%的彎曲應(yīng)變），并不僅可以在液體中操作，而且可以在空氣當(dāng)中 16。此外，使用計(jì)使用 微型泵制造成本與上文所述其他技術(shù)相比有非常強(qiáng)大的競(jìng)爭(zhēng)力。 在這項(xiàng)研究中 ，介紹了 動(dòng)器驅(qū)動(dòng)的無(wú)閥微型泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。 了估計(jì)圓形 用有限元法（ 利用雙晶片梁模型 17相當(dāng)于 動(dòng)器。使用這種模型，對(duì)多個(gè)參數(shù)進(jìn)行研究，來(lái)確定 膜的最佳電極形狀并研究壓力對(duì)存儲(chǔ)容 量的影響。此外，對(duì)最佳的 膜進(jìn)行普通的模態(tài)分析來(lái)評(píng)估共振對(duì)存儲(chǔ)容量的影響。對(duì)無(wú)閥進(jìn)出口部分， 基于流動(dòng)阻力系數(shù)方程 ，使用錐形的噴嘴/擴(kuò)散元件 18考慮選定幾何形狀的噴嘴 /擴(kuò)散元件和最佳 膜存儲(chǔ)容量的影響，對(duì)無(wú)閥式微型泵的流量進(jìn)行估計(jì)。 2. 設(shè)計(jì)一個(gè)有效的 膜 效雙晶片梁模型 對(duì) 行數(shù)值分析，商業(yè)有限元分析（ 序 21，配合使用于等效雙晶片梁模型。等效雙晶片梁模型的建立方便了 動(dòng)器的建模與行為分析 17。在這里，我們簡(jiǎn)要介紹其關(guān)鍵概念。當(dāng)電壓在厚度方向通過(guò) 的水合反離子（或陽(yáng)離子）從陽(yáng)極一側(cè)遷移到陰極一側(cè)。 這意味著移 動(dòng)的 水合離子擴(kuò)大了陰極側(cè) ，同時(shí)它使陽(yáng)極一側(cè)收縮從而使 陽(yáng)極一側(cè)彎曲 13?；谏衔拿枋鲵?qū)動(dòng)機(jī)制，等效雙晶片梁模型，如圖 1 所示， 假定一個(gè) 兩個(gè)同等厚度 的 虛擬層 。利用穿過(guò) 電場(chǎng)影響，使 此相反，使 等效機(jī)電耦合系數(shù) 的確定如下 17： 圖 1一 種 典型形狀的雙晶片梁 式中： 懸臂 標(biāo) 1和 3分別代表 方向。 因?yàn)?21不支持機(jī)電耦合分析 ，所以在有限元模型中利用熱類比技術(shù) 22執(zhí)行機(jī)電耦合效應(yīng)。在熱類比技術(shù)中，機(jī)電耦合系數(shù) 1，如下： 式中： 后，溫差 V。關(guān)于更多關(guān)于熱類比技術(shù)的細(xì)節(jié)和事實(shí)可以在 22中找到。 膜 通過(guò)參數(shù)研究來(lái)找到一個(gè)圓圈形 膜（半 徑： 10最佳的電極形狀。為了估計(jì) 膜的變形量和存儲(chǔ)容量，利用有限元分析的方法分析等效雙晶片梁模型。基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，等效雙晶片梁模型為我們提供了 動(dòng)器的等效性能 17。因此，通過(guò)等效雙晶片梁模型得出的等效機(jī)電耦合系數(shù) 性模量 圓形的 于目前的工作，得到了 i+形式負(fù)載過(guò)重白金（ 6%等效性能。 圖 2 顯示了使用圓形電極的隔膜 1/4 大小的有限元模型?？傇?shù)（ 4 次方 21）為 400。 對(duì)稱性邊界 情況 適用于縱向和 橫向線 ，固定邊界情況使用于隔膜的外部邊緣。如圖 2 所示， 膜由一部分 一部分 成。由于這種組合，當(dāng)電壓施加在 圖 2 膜（ 1/4 型） 縱向接觸更加容易，因?yàn)?有較低的彈性模量，隔膜產(chǎn)生大彎曲變形。根據(jù)使用 2V 的輸入，可以計(jì)算隔膜的中心位移和電極半徑的變化。 用于計(jì)算的材料特性和厚度列于表 1。 式的 等效機(jī)電耦合系數(shù)等效 彈性模量 17。 i+形式的彈 性模量和泊松比分別來(lái)自文獻(xiàn) 23,24。 表 1 膜材料性能和厚度 載過(guò)重白金（ 6% 鉑 的 載入是獨(dú)特的設(shè)計(jì)技術(shù)，以提高濕度 控制 5。 計(jì)算結(jié)果列于圖 3。對(duì) 膜，最大的中心位移是 電極半徑為 參數(shù)研究表明，最大撓度對(duì)應(yīng)一個(gè)最佳的電極半徑。同時(shí)，由圖 4 所示的變形形狀，在最佳電極情況下（半徑： 可計(jì)算出一半的存儲(chǔ)容量（也是后文圖 8 一半存儲(chǔ)容量的 定義） l。 圖 3 圖 4 膜變形形狀（電極半徑 = 普通模式分析 采用普通模式分析最優(yōu)的 膜（電極半徑： 探討其動(dòng)態(tài)特性。用于計(jì)算，以 式的 度為 103 kg m3，來(lái)源于參考文獻(xiàn)15。以 式的 度加定位 103 kg m3。 圖 5 顯示的第一 第二模態(tài)形狀的隔膜 。計(jì)算的一階（即基本）和二階固有頻率分別為 430 1659果我們考慮驅(qū)動(dòng) 膜的頻率范圍不到 406，計(jì)算的固有頻率遠(yuǎn)大于驅(qū)動(dòng)頻率范圍。因此，在這個(gè)驅(qū)動(dòng)頻率范圍，共振將不會(huì)影響存儲(chǔ)容量。此外，該結(jié)果意味著，我們可以在低驅(qū)動(dòng)頻率下（ 40線性的控制 動(dòng)的微型泵流速，因?yàn)樵诘皖l率驅(qū)動(dòng)范圍，微型泵流速線性的隨著驅(qū)動(dòng)頻率的增大而增加 26。 圖 5 在最佳 膜下的普通模式分析結(jié)果（電極半徑 = 存儲(chǔ)容量的壓力影響 研究壓力對(duì)最佳 膜的影響。主要由流體的拖拽和背壓產(chǎn)生的壓力可以看做為微型泵的腔室壓力。為了數(shù)值計(jì)算 在壓力下的存儲(chǔ)空間，統(tǒng)一的壓力作用于電極半徑為 最優(yōu)化的 膜有限元模型上（如圖 6）。圖 7 顯示在有壓力和 2V 輸入的情況下，估計(jì)的最佳圓形隔膜的存儲(chǔ)容量。在圖 7 中，“相反的方向”說(shuō)明了隔膜的彎曲和壓力在相反的方向時(shí)，一半的存儲(chǔ)容量，“相同的反響”說(shuō)明了隔膜的彎曲和壓力在相同的方向時(shí)，一半的存儲(chǔ)容量。根據(jù)結(jié)果顯示，在“相反的方向”條件下， 膜可以產(chǎn)生一般的存儲(chǔ)容量直到2300右的壓力圖 6 統(tǒng)一壓力下的隔膜（ 1/4型）圖 7 膜的一半存儲(chǔ)容量 3. 噴嘴 /擴(kuò)散 器 設(shè)計(jì)和流 量 估計(jì) 在這一章節(jié)中，介紹 動(dòng)器驅(qū)動(dòng)的微型泵的合適的噴嘴 /擴(kuò)散器的設(shè)計(jì)。在非常低的雷諾系數(shù)（ 50）和考慮錐形噴嘴 /擴(kuò)散器的的情況下，對(duì)微型泵的流量進(jìn)行估計(jì)。我們用最優(yōu)的 膜（即隔膜半徑 10極半徑 為抽水的微型泵的驅(qū)動(dòng)隔膜，并且它的驅(qū)動(dòng)頻率為 8 為使用錐形噴嘴 /擴(kuò)散器 膜驅(qū)動(dòng)的微型泵的示意圖。如圖 8 所示，隔膜在出水時(shí)向上彎曲，在進(jìn)水時(shí)向下彎曲。在出水時(shí)實(shí)體的大小箭頭分別表示液體流經(jīng)出口和進(jìn)口部件， 同時(shí)在進(jìn)水時(shí)虛線的大小箭頭分別表示液體流經(jīng)進(jìn)口和出口部件。 口壓力 口壓力 室壓力 半部存儲(chǔ)空間 半部存儲(chǔ)空間 V = 儲(chǔ)空間 間 實(shí)體箭頭：出水流向 虛線箭頭：進(jìn)水流向 圖 8 使用噴嘴 /擴(kuò)散元件的 動(dòng)的微型泵的一種示意圖 錐形噴嘴 /擴(kuò)散器的流體阻力系數(shù) 圖 9 所示錐形噴嘴 /擴(kuò)散元件。其中 D 為直徑， v 為流速， 為圓錐角， L 為長(zhǎng)度， 雷諾系數(shù)， 為運(yùn)動(dòng)粘度。下標(biāo) 0 和 1 分別表明小直徑部分和大直徑部分。下標(biāo) n 和 d 分別代表噴嘴和擴(kuò)散器。如圖 9 所示，同樣的元件按照流動(dòng)方向的不同可以被看做是一個(gè)噴嘴或一個(gè)擴(kuò)散器。 圖 9 錐形噴嘴和擴(kuò)散器結(jié)構(gòu) 在低雷諾系數(shù)（ 1 50）和小圓錐角（ 40）情況下，擴(kuò)散器的流動(dòng)阻力系數(shù)可以寫成如下 18,20： 對(duì)于噴嘴在低雷諾系數(shù)（ 1 50）和小圓錐角（ 40）情況下，流動(dòng)阻力系數(shù)可以描述為 18,20： 利用方程（ 4）和（ 5），錐形噴嘴 /擴(kuò)散元件流動(dòng)系數(shù) 阻力 可以寫成如下： 同時(shí)，流動(dòng)阻力系數(shù)與穿過(guò)擴(kuò)散器和噴嘴的壓力差有關(guān) 19： 式中： 別為穿過(guò)擴(kuò)散器和噴嘴的壓力差； 為液體密度。 將方程（ 4）和（ 5）代入方程（ 7）和（ 8）。在低雷諾系數(shù)下的壓力差可以寫成： 如 果相對(duì)于腔室壓力 i 圖 8 中的壓力），壓力差 P d=P n=9，并且由公式（ 9）和（ 10），可推導(dǎo)出下面的公式 ： 因?yàn)閲娮旌蛿U(kuò)散器的雷諾系數(shù)比為 (v0)n/(v0)d（見(jiàn)圖 9 中方程），方程（ 11）可以寫成如下： 或者 由方程（ 6）和（ 12）得，流動(dòng)阻力系數(shù)比值可以寫成如下： 或 根據(jù)方程（ 4）（ 5）和（ 13a），在低雷諾系數(shù)和確定幾何形狀的噴嘴 /擴(kuò)散器元件條件下，比值 為定值。此外，方程（ 13b）可以直接由方程（ 7）和（ 8）得到。 圖 10（ a）和（ b）表明了由錐形噴嘴 /擴(kuò)散元件的直徑 錐角 ，長(zhǎng)度 。系數(shù)比 隨著直徑 變大而減?。涣硪环矫?，隨著噴嘴 /擴(kuò)散元件的圓錐角 和長(zhǎng)度 L 的變大而增加。如果我們僅考慮噴嘴 /擴(kuò)散元件的效率，在低雷諾系數(shù)下，越小的直徑 大的圓錐角 ，越長(zhǎng)的長(zhǎng)度 L 更有利于液體流動(dòng)。注意在圖（ 10b）中，在 2 = 40,和 L = 9 件下，直徑 圖 10 噴嘴對(duì)擴(kuò)散器的流動(dòng)阻力系數(shù)比 微型泵的平均輸出流量 如果我們考慮通過(guò)噴嘴 /擴(kuò)散元件的平均流動(dòng)速度，在進(jìn)水或出水過(guò)程中的存儲(chǔ)容量（見(jiàn)圖 8 中存儲(chǔ)空間定義）與液體流動(dòng)速度相關(guān)，如下： 或 式中： ( 別表示出水過(guò)程中流經(jīng)出口和進(jìn)口的流出液體量， ( 別表示在進(jìn)水過(guò)程中流經(jīng)出口和進(jìn)口的流入液體量。 噴嘴 /擴(kuò)散器在小直徑 的面積， T 為周期。 無(wú)論在進(jìn)水還是出水時(shí)，我們可以將方程（ 14a）和（ 14b）重寫成如下： 應(yīng)當(dāng)注意到，在出水時(shí)出口流速 (v0)d 應(yīng)該等于進(jìn)水時(shí)進(jìn)口流速 (v0)d，并且出水時(shí)進(jìn)口流速 (v0)n 應(yīng)該等于進(jìn)水時(shí)出口流速 (v0)n。 在一個(gè)周期 T 時(shí)間內(nèi)，流經(jīng)出口的液體凈輸出量 下定義： 定義平均輸出流量 Q 為 ，我們可以重新得到方程（ 16）如下： 將方程（ 13）和（ 15）代入方程（ 17），在一個(gè)周期 T 時(shí)間內(nèi)，平均輸出流量 19,20： 式中 一半的存儲(chǔ)容量（ V/2）。 由于方程（ 4）和（ 5）只有在低雷諾系數(shù) (1 50)下有 效，我們?cè)趯?duì)平均輸出流量進(jìn)行有效預(yù)測(cè)時(shí)需要知道在噴嘴 /擴(kuò)散元件處的雷諾系數(shù)。在低雷諾系數(shù)下，通過(guò)噴嘴的液體流速也低于通過(guò)擴(kuò)散器的液體流速。因此，在本研究中預(yù)測(cè)雷諾系數(shù)時(shí)只對(duì)通過(guò)擴(kuò)散器的液體流速進(jìn)行計(jì)算。 由方程 （ 12） 和（ 15）知，流經(jīng)擴(kuò)散器的液體平均流速用如下公式進(jìn)行計(jì)算： 使用方程（ 18）中的液體流速，流經(jīng)擴(kuò)散器的雷諾系數(shù)可由如下公式計(jì)算： 圖 11 （ a）和（ b） 顯示 由 動(dòng)器驅(qū)動(dòng)的微型泵的平均輸出流量估計(jì)。為了對(duì)流量進(jìn)行計(jì)算，我們使用在章節(jié) 提到的最優(yōu)化的 膜，選擇膜的驅(qū)動(dòng)頻率 f = z，使用一半存儲(chǔ)容量， l。使用在20C 時(shí)水的運(yùn)動(dòng)粘度系數(shù) =10-6 為流量估計(jì)僅僅在低雷諾系數(shù)范圍 (1 50)內(nèi)有效，我們?cè)诿糠鶊D中標(biāo)記有效估計(jì)極限為 0。如圖 11(a)和 (b)所示，平均輸出流量 Q 隨著直徑 變大而減小，并且隨著噴嘴 /擴(kuò)散元件的圓錐角 和長(zhǎng)度 L 的變大而增加。在圖 11（ b）中，我們給定噴嘴 /擴(kuò)散元件的圓錐角 =40，長(zhǎng)度 L=9徑和雷諾系數(shù)分別為 50，估計(jì)平均輸 出 流 量 為 l s1 。圖 11 在低雷諾系數(shù)下 動(dòng)器驅(qū)動(dòng)的微型泵平均輸出流量估計(jì) 事實(shí)上， 動(dòng)器驅(qū)動(dòng)的微型泵有許多設(shè)計(jì)參數(shù)，包括幾何形狀，輸入電壓， 膜驅(qū)動(dòng)頻率，和噴嘴 /擴(kuò)散元件的一些方程等。應(yīng)該調(diào)整和優(yōu)化所有的設(shè)計(jì)參數(shù)使 動(dòng)器驅(qū)動(dòng)的微型泵使用于不同的特定場(chǎng)合。 4. 結(jié)束語(yǔ) 在 本文中 ，介紹了 動(dòng)的無(wú)閥式微型泵的詳盡的設(shè)計(jì)方法。為了準(zhǔn)確的估計(jì) 膜的變形形狀，在有限元方法中使用了非常方便的 動(dòng)器的等效雙晶片梁模型。通過(guò)使用數(shù)值方法對(duì)參數(shù)進(jìn)行研究，結(jié) 果發(fā)現(xiàn)，為了產(chǎn)生最大的中心位移，應(yīng)該使用圓形的 膜，其