共振特斯拉阀式压电泵的设计与实验研究

《Results in Engineering》：Design and Experimental Study of a Resonant Tesla Valve-Type Piezoelectric Pump

　　

为了应对传统无阀压电泵中常见的涡流形成和低输出性能问题，研究人员提出了一种共振特斯拉阀式压电微泵（RTVP），该泵利用特斯拉阀歧管（TVM）实现定向流体流动。同时，通过共振原理放大隔膜位移，实现RTVP的高输出流量。建立了RTVP的动力学模型，并通过结合COMSOL Multiphysics仿真与实验测试，研究了RTVP的工作特性及关键参数对其输出性能的影响。结果表明，当输入电压为150 V、驱动频率为35 Hz时，RTVP的输出流量为70.1 ml/min。当使用2号弹簧钢时，输出流量可达73.32 ml/min；当TVM角度α=60^°、圆弧半径R=2.1 mm时，峰值流量增加到89.1 ml/min。

**共振特斯拉阀式压电泵的设计与实验研究解读**

**1. 研究背景、问题与意义**

传统无阀压电泵（valve-less piezoelectric pump）因结构简单、易于微型化而广泛应用于生物医学（biomedicine）、电子冷却（electrical cooling）、燃料电池（fuel cell）和纳米颗粒合成（nanoparticle synthesis）等领域。然而，传统盘式压电泵依赖压电陶瓷直接驱动泵腔流体，其固定周界限制了压电盘的变形，导致输出流量低。此外，无阀压电泵中常采用弹性阀或特斯拉阀（Tesla valve）来实现单向流动，但弹性阀的响应滞后影响输出性能，而位移放大机构（如菱形放大振子）增加了结构复杂性和系统频率要求。因此，在保持无阀结构优势的同时，如何增大泵腔体积变化并提升压电泵输出流量成为该领域亟待解决的关键问题。基于此，研究人员提出了一种共振特斯拉阀式压电微泵（RTVP），该设计将特斯拉阀歧管（TVM）与共振驱动单元结合，利用TVM增强定向整流能力，同时通过共振放大隔膜位移，增加泵腔周期性体积变化。该研究发表在《Results in Engineering》上，为提升无阀压电泵输出性能提供了新思路。

**2. 主要关键技术方法**

研究人员采用了以下关键技术方法：（1）**动力学建模**：将压电换能器简化为弹性支撑悬臂梁，建立系统运动微分方程，推导出系统固有频率表达式，并基于板壳理论计算泵腔体积变化；（2）**有限元仿真**：利用COMSOL Multiphysics进行模态分析（确定驱动单元共振频率）、流场仿真（计算TVM正向和反向压力降比值Di，评估整流能力）和瞬态动力学分析（模拟隔膜位移及泵腔流场变化）；（3）**实验验证**：搭建测试平台，包含信号发生器（RIGOL DG4062）、电压放大器（Aigtek ATA-2021H）、精密电子天平（WH-B05）、阻抗分析仪（Keysight E4990A）和光学精密振动隔离平台，以室温液态水为实验流体，测试不同参数下RTVP的输出流量。

**3. 研究结果**

**3.1 驱动单元频率-振幅特性（Section 4.1）**
通过模态分析获得驱动单元前四阶模态频率为45.906~160.36 Hz，仅第一阶模态（Z轴振动）符合RTVP工作需求，后续研究聚焦于该阶模态。

**3.2 流阻分析（Section 4.2）**
流场仿真表明，TVM在正向流动时主通道流速高，逆向流动时分支出口产生涡旋导致压力降急剧增大。当分支管角度α=45^°时，正向压力降为577.37 Pa，逆向压力降为847.86 Pa，压力降比（Di）为1.47。通过改变分支管角度（α=30^°~90^°），发现Di值随雷诺数（Reynolds number）非线性增加，当α=60^°~70^°时单向流动控制效果最优，因此选择α=60^°。

**3.3 RTVP输出性能分析（Section 4.3）**
瞬态动力学分析显示，在t=0.0055 s和0.0275 s（吸液阶段），泵腔体积增大，流体因压差进入；在t=0.0165 s和0.0385 s（排液阶段），泵腔体积减小，流体被排出。流场图进一步证实正向流动时流体主要流经主管，逆向流动时在分支出口发生剧烈汇合和碰撞，产生能量损失，阻碍单向流动。

**3.4 网格无关性验证（Section 4.4）**
对TVM流场模型进行网格无关性验证，以压力降比Di为评估指标。当网格从“精细”细化到“极其精细”时，Di的相对变化小于2%，表明计算结果对网格密度不敏感，最终采用“超精细”网格以平衡精度和效率。

**3.5 实验测试：驱动频率对输出性能的影响（Section 5.1）**
实验结果表明，RTVP输出流量随驱动电压升高而增加，但电压超过120 V后，流量增幅减缓。输出流量随驱动频率先增后减，在150 V、35 Hz时达到峰值70.1 ml/min。

**3.6 泵腔高度对输出性能的影响（Section 5.2）**
在150 V驱动电压下，泵腔高度为1 mm、1.5 mm和2 mm时的峰值流量分别为50.01 ml/min、70.1 ml/min和42.83 ml/min。泵腔高度为1.5 mm时输出最大，且该关系呈非线性，高度变化还影响系统固有频率。

**3.7 弹簧对输出性能的影响（Section 5.3）**
选用刚度分别为37.5 N/m、177 N/m和625 N/m的弹簧（2号弹簧钢、304不锈钢），实验发现弹簧刚度越低，共振频率左移，输出流量越大，对应流量分别为73.32 ml/min、70.1 ml/min和53.88 ml/min。

**3.8 TVM角度α对输出性能的影响（Section 5.4）**
保持圆弧半径R不变，设置α=30^°、45^°、60^°、75^°、90^°，在150 V驱动电压下测试。α从30^°增至60^°时，输出流量从54.25 ml/min增至70.1 ml/min；继续增大至90^°则降至56.2 ml/min，表明分流角过大抑制单向性。

**3.9 TVM圆弧半径R对输出性能的影响（Section 5.5）**
固定α=60^°，设置R=1.5 mm、1.8 mm、2.1 mm、2.4 mm。R=2.1 mm时输出流量达峰值89.1 ml/min，R继续增大则降至58.2 ml/min。增大圆弧半径可改善单向流动性能，但过大易在分支流道产生涡流，造成能量损失。

**3.10 正交多项式近似方法（Section 5.6）**
作为实验数据的后处理技术，采用正交多项式逼近归一化频率-流量数据，用于平滑曲线和辅助识别峰值流量对应的驱动频率范围。该方法仅作为数学补充，主要结论仍基于实验测量。

**4. 讨论与结论**

**讨论部分总结**：
将RTVP与五种现有压电泵进行性能对比，结果显示RTVP在低频（35 Hz）下实现了较高输出流量（89.1 ml/min），表明共振驱动与TVM的组合能有效提升无阀压电泵的输出性能。驱动单元仿真频率（45.906 Hz）与整机阻抗测试一阶固有频率（34.974 Hz）存在差异，原因是仿真仅针对驱动单元，而整机包含泵腔单元和支撑结构，等效质量更大导致固有频率降低。实验测得峰值流量出现在35 Hz，与整机实测固有频率高度一致，验证了共振对流量增强的作用。TVM分支角在60^°~70^°时压力降比最优，实验确认60^°时输出最大，数值预测与实验趋势一致。弹簧刚度实验进一步支持理论分析，即系统刚度影响共振响应和输出性能。

**结论翻译**：
本文引入特斯拉阀歧管（TVM）以实现单向流体流动，同时将压电换能器与流体分离。通过利用系统的共振特性放大隔膜振幅，提升了无阀压电泵的输出流量。建立了RTVP的三维模型，并对系统进行了动力学分析。随后采用有限元法模拟正向和反向流场，获得了流道内的压力分布和压力降比。通过实验，比较了驱动电压、泵腔高度、弹簧刚度及TVM结构参数对RTVP输出性能的影响，得出以下结论：（1）RTVP输出流量随驱动频率先增后减，与驱动电压正相关，但电压超过120 V后流量增幅减缓；（2）改变泵腔高度对RTVP输出性能有显著影响，且呈非线性关系。在150 V恒压下，泵腔高度为1 mm时峰值流量为50.01 ml/min，1.5 mm时达到最大70.1 ml/min，而2 mm时降至42.83 ml/min；（3）弹簧刚度越低，RTVP共振频率越低，输出流量越大。使用刚度为37.5 N/m的2号弹簧钢时，输出流量可达73.32 ml/min；（4）适当增大TVM角度和圆弧半径有助于改善RTVP的单向流动性能。当TVM角度α=60^°、圆弧半径R=2.1 mm时，RTVP流量达到峰值89.1 ml/min。综上所述，RTVP的输出性能由共振隔膜驱动和TVM整流能力共同决定。共振驱动单元主要用于增加隔膜位移和泵腔体积变化，而TVM通过增大正向和反向流阻差异来增强定向输送能力。因此，提升RTVP输出性能不仅依赖于单一参数的优化，更有赖于驱动参数、弹簧刚度、泵腔高度及TVM几何参数的综合匹配。未来工作将进一步探索RTVP对不同工作介质和工况的适应性，并优化多结构参数间的耦合关系，以增强其运行稳定性和实际应用能力。