本科毕业设计论文中英文文献翻译ipmc致动器驱动的无阀微型泵设计及其在低雷诺数下的流量估计Word文档格式.docx

1、无阀微型泵，使用喷嘴/扩散元件，很容易制成小体积且可避免磨损和疲劳的移动部件。为了使机械种类的微型泵产生存储空间，隔膜被广泛应用1,2。压电驱动隔膜通常产生高驱动力和快速的机械响应，但是他们需要高的输入电压。隔膜产生的存储空间相对较小。热气动式驱动隔膜7需要低输入电压，产生高泵率，而且结构可以非常接凑，但是高功率消耗和较长的热时间常数是其主要缺点。静电驱动隔膜8有快速响应时间，微电机械系统（MEMS）兼容性好和低功率消耗的优点，但是小的驱动器行程，较差的降解性能和高输入电压是使用这一隔膜的主要阻碍。电磁驱动隔膜9有较快速的相应时间，但他们没有得到很好的与MEMS兼容并且需要高能耗。IPMC10

2、-15是一种新型的，非常有前途的材料用于微型泵的驱动隔膜。机电驱动的IPMC在低输入电压下（2V）有能力产生更大的弯曲变形（超过1%的弯曲应变），并不仅可以在液体中操作，而且可以在空气当中16。此外，使用IPMC的微型泵制造工艺简单。预计使用IPMC的微型泵制造成本与上文所述其他技术相比有非常强大的竞争力。在这项研究中，介绍了IPMC致动器驱动的无阀微型泵系统设计方法。IPMC加上Nafion膜被认为是最好的驱动隔膜材料。为了估计圆形IPMC隔膜的变形形状，应用有限元法（FEM），利用双晶片梁模型17相当于IPMC致动器。使用这种模型，对多个参数进行研究，来确定IPMC隔膜的最佳电极形状并研究

3、压力对存储容量的影响。此外，对最佳的IPMC隔膜进行普通的模态分析来评估共振对存储容量的影响。对无阀进出口部分，基于流动阻力系数方程，使用锥形的喷嘴/扩散元件18-20。考虑选定几何形状的喷嘴/扩散元件和最佳IPMC隔膜存储容量的影响，对无阀式微型泵的流量进行估计。2. 设计一个有效的IPMC隔膜2.1等效双晶片梁模型对IPMC隔膜进行数值模拟并分析在输入电压下产生的变形。进行数值分析，商业有限元分析（FEA）程序-MSC/NASTRAN 21，配合使用于等效双晶片梁模型。等效双晶片梁模型的建立方便了IPMC致动器的建模与行为分析17。在这里，我们简要介绍其关键概念。当电压在厚度方向通过IPM

4、C，IPMC中的水合反离子（或阳离子）从阳极一侧迁移到阴极一侧。这意味着移动的水合离子扩大了阴极侧，同时它使阳极一侧收缩从而使IPMC向阳极一侧弯曲13。基于上文描述驱动机制，等效双晶片梁模型，如图1所示，假定一个IPMC有两个同等厚度的虚拟层。利用穿过IPMC的电场影响，使IPMC的上层和下层扩张或收缩，彼此相反，使IPMC产生弯曲运动。等效机电耦合系数d31和等效弹性模量E的确定如下17：图1一种典型形状的双晶片梁式中： s是测量的末端位移；V是输入电压；Fbl是测量的阻力；Ez为悬臂IPMC的电场强度；下标1和3分别代表X方向和Z方向。因为MSC/NASTRAN 21不支持机电耦合分析，

5、所以在有限元模型中利用热类比技术22执行机电耦合效应。在热类比技术中，机电耦合系数d31转化为热膨胀系数1，如下：t是一个电势穿越一层的厚度。然后，温差T取代电势V。关于更多关于热类比技术的细节和事实可以在22中找到。2.2. IPMC隔膜通过参数研究来找到一个圆圈形IPMC隔膜（半径：10mm）的最佳的电极形状。为了估计IPMC隔膜的变形量和存储容量，利用有限元分析的方法分析等效双晶片梁模型。基于实验数据，等效双晶片梁模型为我们提供了IPMC致动器的等效性能17。因此，通过等效双晶片梁模型得出的等效机电耦合系数d31和等效弹性模量E使用于各种形状的IPMC致动器，如圆形的IPMC隔膜。对于目

6、前的工作，得到了IPMC以Li+形式负载过重白金（6%Pt）的等效性能。图2显示了使用圆形电极的隔膜1/4大小的有限元模型。总元件数（4次方21）为400。对称性边界情况适用于纵向和横向线，固定边界情况使用于隔膜的外部边缘。如图2所示，IPMC隔膜由一部分IPMC和一部分Nafion组成。由于这种组合，当电压施加在IPMC部分上时，IPMC和Nafion的图2 IPMC隔膜（1/4 FEA模型）纵向接触更加容易，因为Nafion具有较低的弹性模量，隔膜产生大弯曲变形。根据使用2V的输入，可以计算隔膜的中心位移和电极半径的变化。用于计算的材料特性和厚度列于表1。IPMC以Li+形式的等效机电耦合

7、系数d31和等效弹性模量E通过等效双晶片梁模型得出17。Nafion以Li+形式的弹性模量和泊松比分别来自文献23,24。表1 IPMC隔膜材料性能和厚度IPMC负载过重白金（6%Pt）。铂的载入是独特的设计技术，以提高湿度控制IPMC25。 计算结果列于图3。对IPMC隔膜，最大的中心位移是0.966mm，其电极半径为8.5mm。该参数研究表明，最大挠度对应一个最佳的电极半径。同时，由图4所示的变形形状，在最佳电极情况下（半径：8.5mm），可计算出一半的存储容量（也是后文图8一半存储容量的定义）Vh = 130.6 l。 图3 IPMC隔膜的中心位移图4 IPMC隔膜变形形状（电极半径=8

8、.5mm）2.3. 普通模式分析采用普通模式分析最优的IPMC隔膜（电极半径：8.5mm）以探讨其动态特性。用于计算，以Li+形式的Nafion密度为2.078 103 kg m3，来源于参考文献15。以Li+形式的IPMC密度加定位2.5 103 kg m3。图5显示的第一第二模态形状的隔膜。计算的一阶（即基本）和二阶固有频率分别为430Hz和1659Hz。如果我们考虑驱动IPMC隔膜的频率范围不到40Hz16，计算的固有频率远大于驱动频率范围。因此，在这个驱动频率范围，共振将不会影响存储容量。此外，该结果意味着，我们可以在低驱动频率下（40Hz），线性的控制IPMC驱动的微型泵流速，因为在

9、低频率驱动范围，微型泵流速线性的随着驱动频率的增大而增加26。图5 在最佳IPMC隔膜下的普通模式分析结果（电极半径=8.5mm）2.4. 存储容量的压力影响研究压力对最佳IPMC隔膜的影响。主要由流体的拖拽和背压产生的压力可以看做为微型泵的腔室压力。为了数值计算在压力下的存储空间，统一的压力作用于电极半径为8.5mm的最优化的IPMC隔膜有限元模型上（如图6）。图7显示在有压力和2V输入的情况下，估计的最佳圆形隔膜的存储容量。在图7中，“相反的方向”说明了隔膜的弯曲和压力在相反的方向时，一半的存储容量，“相同的反响”说明了隔膜的弯曲和压力在相同的方向时，一半的存储容量。根据结果显示，在“相反

10、的方向”条件下，IPMC隔膜可以产生一般的存储容量直到2300Pa左右的压力 图6 统一压力下的隔膜（1/4FEA模型） 图7 IPMC隔膜的一半存储容量3. 喷嘴/扩散器设计和流量估计在这一章节中，介绍IPMC致动器驱动的微型泵的合适的喷嘴/扩散器的设计。在非常低的雷诺系数（50）和考虑锥形喷嘴/扩散器的的情况下，对微型泵的流量进行估计。我们用最优的IPMC隔膜（即隔膜半径10mm，电极半径8.5mm）作为抽水的微型泵的驱动隔膜，并且它的驱动频率为0.1Hz。图8为使用锥形喷嘴/扩散器IPMC隔膜驱动的微型泵的示意图。如图8所示，隔膜在出水时向上弯曲，在进水时向下弯曲。在出水时实体的大小箭头

11、分别表示液体流经出口和进口部件，同时在进水时虚线的大小箭头分别表示液体流经进口和出口部件。Pi：进口压力Po：出口压力Pc：腔室压力Vh_us：上半部存储空间Vh_ds：下半部存储空间V = Vh_us + Vh_ds：存储空间t0 , t1 , t2：时间实体箭头：出水流向虚线箭头：进水流向 图8 使用喷嘴/扩散元件的IPMC驱动的微型泵的一种示意图3.1. 锥形喷嘴/扩散器的流体阻力系数 图9所示锥形喷嘴/扩散元件。其中D为直径，v为流速，为圆锥角，L为长度，Re为雷诺系数，为运动粘度。下标0和1分别表明小直径部分和大直径部分。下标n和d分别代表喷嘴和扩散器。如图9所示，同样的元件按照流动

12、方向的不同可以被看做是一个喷嘴或一个扩散器。 图9 锥形喷嘴和扩散器结构 在低雷诺系数（1 Re 50）和小圆锥角（ 40）情况下，扩散器的流动阻力系数可以写成如下18,20： 对于喷嘴在低雷诺系数（1 ）情况下，流动阻力系数可以描述为18,20： 利用方程（4）和（5），锥形喷嘴/扩散元件流动系数阻力可以写成如下：同时，流动阻力系数与穿过扩散器和喷嘴的压力差有关19：Pd和Pn分别为穿过扩散器和喷嘴的压力差；为液体密度。将方程（4）和（5）代入方程（7）和（8）。在低雷诺系数下的压力差可以写成： 如果相对于腔室压力Pc进口和出口压力Pi Po都被忽略（见图8中的压力），压力差Pd=Pn=Pc

13、19，并且由公式（9）和（10），可推导出下面的公式： 因为喷嘴和扩散器的雷诺系数比为Ren/Red = （v0）n/（v0）d（见图9中方程），方程（11）可以写成如下：或者由方程（6）和（12）得，流动阻力系数比值可以写成如下：或根据方程（4）（5）和（13a），在低雷诺系数和确定几何形状的喷嘴/扩散器元件条件下，比值为定值。此外，方程（13b）可以直接由方程（7）和（8）得到。 图10（a）和（b）表明了由锥形喷嘴/扩散元件的直径D0，圆锥角，长度L计算得出的流动阻力系数比值。系数比随着直径D0的变大而减小；另一方面，随着喷嘴/扩散元件的圆锥角和长度L的变大而增加。如果我们仅考虑喷嘴/扩

14、散元件的效率，在低雷诺系数下，越小的直径D0，越大的圆锥角，越长的长度L更有利于液体流动。注意在图（10b）中，在D0 = 2 mm, = 40,和 L = 9 mm条件下，直径D1为8.55mm。图10 喷嘴对扩散器的流动阻力系数比3.2. 微型泵的平均输出流量 如果我们考虑通过喷嘴/扩散元件的平均流动速度，在进水或出水过程中的存储容量（见图8中存储空间定义）与液体流动速度相关，如下：（Vout）outlet and （Vout）inlet分别表示出水过程中流经出口和进口的流出液体量，（Vin）outlet and （Vin）inlet分别表示在进水过程中流经出口和进口的流入液体量。F0是喷

15、嘴/扩散器在小直径D0处的面积，T为周期。 无论在进水还是出水时，我们可以将方程（14a）和（14b）重写成如下： 应当注意到，在出水时出口流速（v0）d应该等于进水时进口流速（v0）d，并且出水时进口流速（v0）n应该等于进水时出口流速（v0）n。 在一个周期T时间内，流经出口的液体净输出量Vnet如下定义：定义平均输出流量Q为Vnet/T，我们可以重新得到方程（16）如下：将方程（13）和（15）代入方程（17），在一个周期T时间内，平均输出流量Q可以预计如下19,20：式中Vh为一半的存储容量（V/2）。 由于方程（4）和（5）只有在低雷诺系数（1 50）下有效，我们在对平均输出流量进行

16、有效预测时需要知道在喷嘴/扩散元件处的雷诺系数。在低雷诺系数下，通过喷嘴的液体流速也低于通过扩散器的液体流速。因此，在本研究中预测雷诺系数时只对通过扩散器的液体流速进行计算。 由方程（12）和（15）知，流经扩散器的液体平均流速用如下公式进行计算： 使用方程（18）中的液体流速，流经扩散器的雷诺系数可由如下公式计算：图11 （a）和（b）显示由IPMC致动器驱动的微型泵的平均输出流量估计。为了对流量进行计算，我们使用在章节2.2中提到的最优化的IPMC隔膜，选择IPMC隔膜的驱动频率f = 0.1 Hz，使用一半存储容量，Vh = 130.6 l。使用在20C时水的运动粘度系数=1.010-6

17、 m2s-1。因为流量估计仅仅在低雷诺系数范围（1 50）内有效，我们在每幅图中标记有效估计极限为Re=50。如图11（a）和（b）所示，平均输出流量Q随着直径D0的变大而减小，并且随着喷嘴/扩散元件的圆锥角和长度L的变大而增加。在图11（b）中，我们给定喷嘴/扩散元件的圆锥角=40，长度L=9mm，直径和雷诺系数分别为0.95mm和50，估计平均输出流量为8.2 l s1。图11 在低雷诺系数下IPMC致动器驱动的微型泵平均输出流量估计事实上，IPMC致动器驱动的微型泵有许多设计参数，包括几何形状，输入电压，IPMC隔膜驱动频率，和喷嘴/扩散元件的一些方程等。应该调整和优化所有的设计参数使I

18、PMC致动器驱动的微型泵使用于不同的特定场合。4. 结束语在本文中，介绍了IPMC驱动的无阀式微型泵的详尽的设计方法。为了准确的估计IPMC隔膜的变形形状，在有限元方法中使用了非常方便的IPMC致动器的等效双晶片梁模型。通过使用数值方法对参数进行研究，结果发现，为了产生最大的中心位移，应该使用圆形的IPMC隔膜，其中电极半径为8.5mm，IPMC隔膜半径为10mm为最优值。对最优的圆形IPMC隔膜进行普通模式分析表明，由于计算出的系统固有频率（430Hz）远大于驱动频率范围（40Hz），共振不会对存储容量产生影响。基于选定几何形状的锥形喷嘴/扩散元件，在较低的雷诺系数下（Re=50），使用流体阻力系数方程对IPMC致动器驱动的无阀式微型泵进行平均输出流量进行估计。目前，我们正在制造定型的IPMC微型泵来证明本文中提出的设计概念，并将在不久的将来把这项研究的结果报告出来。致谢非常感谢美国国家科学基金会奖次项目通过RCV计划，并给予一定得财政支持。本文第一作者得到了韩国研究基金会部分支持（KRF-2005-214-D00025）。此外，KJK非常感谢Medipacs公司和美国陆军对IPMC隔膜的支持。