场流态进行了动态仿真。在不同结构参数、控制频率、振动幅值及驱动膜刚度等多种条件下，对无阀泵性能进行了试验研究。讨论了结构参数、驱动条件等因素对无阀泵流动特性的影响，分析了无阀泵管道周期、振动频率、驱动膜刚度等因素与流动参数之间的关系，在此基础上提出了微型无阀泵设计与控制的改进方案。

　　微流动系统是微机电系统的一个重要分支。微流动系统由微型泵、微型阀、微型传感器等微流体元件组成。微型泵作为微流动系统的动力源，是微流动系统发展水平的重要标志。微型泵根据其有无可动阀片可分为有阀微型栗和无阀微型泵。

　　现已研制的微泵大多为有阀型微泵。有阀微泵的输出脉动性很强，加上采用悬臂梁式单向阀，阀口开启过程中流体流动为复杂非线性过程，很难计算流量和压力的变化情况，所以现在这些已研制成功的有阀微型泵都没有给出涉及到一个振动周期内流动的具体参数，而只能测量一些范围变化较大的外部特性参数，再加上国内现有的微流体检测无细复杂结构内的流场分析；同时，栗的研制和大多数微执行器及传感器一样，缺少有效的计算机辅助设计工具，从而极大地阻碍了微泵的实用化进程。

　　微型无阀泵是微型泵的一个新的研究热点。与有阀型微泵相比，它结构简单，在制造工艺上减少了阀片制作和阀片键合工序，这两道工序都是有阀微泵的技术难点，因此无阀微型泵的出现无疑是创造性的进步。同时，无阀泵与相同规格的有阀泵相比，效率要高出许多，这是由于有阀泵在工作过程中需要克服被动阀片的预应力而消耗一定的能量，而无阀泵则不存在这种状况，加上流动阻力相对要小，所以无阀泵的总效率比有阀泵高。

　　1微型无阀泵工作原理微型无阀泵的结构示意图如所示。微型无*国家自然科学基金（50175098，50175097）和教育部留学回国人员科研启动基金资助项目。20011010收到初稿，20020218收到修改稿阀泵是基于扩散口/收缩口流量存在差异这一现象而设计开发的，其原理如所示：当驱动膜压下时，给腔体内液体施加压力，由于扩散口与收缩口内压力分布曲线不同，引起的流量不同，此时办4>而当驱动膜向上运动时，腔体内产生负压，扩散口和收缩口的压力分布情况相反，此时心，d<，从而实现定向差量流动。

　　收缩口、进口4K动腆<扩散口出口微型无阀泵结构示意图下压天量小流董微型无阀泵工作原理流场仿真流场仿真是检验微泵设计的有效方法，尤其在进行三维流场仿真时更具有实际指导意义。在微型无阀泵的设计中，采用了CFD技术进行腔体内部流场三维仿真，选择两锥管小直径=0.6mm，振动膜的运动可以采用上表面压力波动以及可变形网格来实现，压力波动值用下式表示谢海波等：微型无阀泵流动特征仿真与试验研究/驱动膜振动频率仿真驱动频率设定为10Hz，振动幅值4为1 000Pa，采用流体仿真软件FLUENT进行计算，获得一个周期内的流速场仿真结果如所示。从图中的流动趋势看，在前半周期流动为由内向外，出口流量要大于进口流量；而在下半周期流动转为由外向内，进口流量大于出口流量，这一结果定性的描述了微泵在一个周期内的流动情况，与微泵工作原理相吻合。同时，从仿真结果中还观察到微管道内的流动滞后和局部回流等现象。

　　娜匕10Hz驱动频率下一个周期内流速分布图试验及数据分析3.1试验装置及方法根据流场检测需要，在微型无阀泵的试验中采PMMA）材料加工微泵的泵体，驱动薄膜采用三种刚度不同的弹性材料，分别为橡胶薄膜、乳胶薄膜及超薄乳胶薄膜。试验装置如所示，其中作为核心元件的微小振动发生器采用丹麦BrelKjaer公司产的MiniShaker4800，其大振动幅值为±3 mm，大负载为15N，可调振动频率范围为05流量一频率曲线kHz，标准量筒用于测量微泵流量，带有刻度尺的毛细玻璃管用于测量微泵的排量及回流情况，微栗的输出压力通过测量水柱高度获得。

　　微泵刻度尺量简Z 3.2.1结构参数对微型无阀泵输出特性的影响在试验中选用了两种小截面直径d分别为0.6mm和0.3mm的微栗（其他参数相同）。通过试验获得了微泵在不同驱动频率、驱动幅值下流量、排量以及输出压力的变化趋势。

　　所示为流量与驱动频率之间的关系，从图中可以看出，流量与频率之间不是线性关系，且高于一定频率后曲线将出现震荡现象（见）。由于可控性的要求，首先分析次震荡前的流量曲线。从中可以得出，结构参数的变化将对流量/频率特性产生影响，=0.6mm时流量在12Hz以内要比c=0.3mm时小，而￠/=0.6mm曲线峰值点则要大于￠/==0.3mm的峰值点流量，这是由于d越小则微泵的效率越篼，因此在峰值点之前同样的输入功率下越小则流量越大，而当达到峰值点时微栗达到大效率，但由于在相同压差下越大则流量值越大，且该因素产生的作用要高于效率对流量的影响，因此接近峰值点时c =0.6mm的流量曲线要高于c=.3mm.此外，两曲线峰值点频率都为14Hz左右，表明小截面直径c的变化对峰值点频率的影响不大。

　　机械工程学报振梅A/mm流量一振幅曲线3.2.2驱动薄膜刚度对输出特性的影响用三种不同刚度的驱动膜进行试验对比，结果表明：随着驱动频率的增高，流量曲线在某些频率点达到峰值，且随着驱动薄膜刚度的变化，这些峰值点的位置会产生规律性的变化，如所示。

　　从中可以看出，随着驱动薄膜刚度的增加，同一驱动频率下的输出流量也会增加。但对于同一种驱动膜，驱动频率的变化会使输出流量产生较大的波动，这种现象是由于驱动频率与微泵及管道所构成的输送系统的管道周期之间的耦合作用所引起的。当驱动膜对流体的作用与微泵系统中的压强瞬态传播方向相同时，输出流量达到峰值。

　　此外，随着薄膜刚度的增加，输出流量的峰值点的位置向右移动。如果将个峰值点以内的频率范围确定为实际应用的可控频率范围，那么驱动薄膜刚度的增加将有利于扩大可控频率范围，使得输出流量范围也变得更大，因此，从微泵输出流量可调节性的角度考虑，增加驱动膜的刚度是有效的手段。

　　4结论微型无阀泵作为一种新型高效的微流体动力机械，具有结构简单、加工方便、成本低、效率高和表示输出压力（即扬程）与驱动频率之间的关系。从得到的数据来看，=0.3mm的扬程要比=0.6mm时的篼出许多，且d=0.3mm时的扬程峰值点频率要低。这说明输出压力的大小受结构参数的影响很大，即微泵效率是扬程的主要影响因素。同时3=0.3mm的峰值频率点前移说明惯性流动随着d的变小而加剧，使得流量与输出压力的峰值点频率不同。

　　输出压力一振幅曲线为排量随频率的变化趋势。从曲线的走势来看，排量随着频率的增加而增加并达到大值。这是由于在频率较低时排量与频率之间约为正比关系，而随着频率的逐渐增加惯性流动对排量影响也愈加明显，这种惯性流动对流动会产生滞后作用，且随频率的增加其效应更剧烈。在峰值点时，两种作用的影响相等，因此排量大，而随着频率的继续增加，惯性流动成为主决因素，所以排量将递减。

　　从中可以看出3=0.3mm的排量曲线要高于￠/=0.6mm，这进一步地证明了结构参数对微泵效率的影响，即d越小则微泵的输出效率越高，这一结果与、6中的情况是一致的。

　　排量一频率曲线给出了同一驱动频率下流量随着振幅的变化情况。从图中可以看出流量随着振幅的增加而增大，但其变化趋势是非线性的。

　　谢海波等：微型无阀泵流动特征仿真与试验研究可控性好等优点，是微流体输送系统中很有发展潜力的一种微动力源。本文以仿真和试验相结合的方法，研究了微泵内部的流场流态以及微泵工作参数对微泵输出特性的影响，其研究的结果可归纳如下。

　　（1）驱动频率、驱动幅度以及驱动薄膜刚度是影响微型无阀泵输出特性的主要因素。在可控频率范围内，驱动幅度和频率的增加可提高微泵的输出流量和压力；当驱动膜对流体的作用与微泵系统中的压强瞬态传播方向相同时，输出流量达到峰值；此外，驱动薄膜刚度的增加有利于扩大输出流量的可调范围。

　　（2）扩散/收缩口的结构参数也是影响微型无阀泵流动特性的一个主要因素。通过调节收缩/扩散口小截面直径、锥角和锥体长度等结构参数可以调节无阀泵的流量、输出压力及效率。

　　（3）微型无阀泵采用扩散/收缩口形式实现定向流动，结构非常简单，是一种适合MEMS加工工艺特性及无摩擦传动要求的新型微泵。