一种带螺旋形流道的微型圆盘泵设计方法

技术领域

本发明涉及一种带螺旋形流道的微型圆盘泵设计方法，属于微型流体输运系统领域。

背景技术

微型圆盘泵依靠旋转圆盘对流体剪切做功，输送一定压力和流量的流体，应用于微型传感器、微型分离设备、微型血液输送装置等微型流体输运系统。公开文献对微型圆盘泵开展了理论模型、数值模拟、实验研究，但极少涉及设计方法，比如文献《MiniatureSingle-Disk Viscous Pump(Single DVP),Performance Characterization》(DOI：10.1115/1.2175167)给出了带圆弧形流道(或称为C形流道)的微型圆盘泵的实验模型，但未提及设计方法。

在圆盘剪切作用下，流体周向速度最大，其次是径向速度，轴向速度可忽略。设计圆弧形流道时，不考虑径向速度和轴向速度，而径向速度冲击圆弧形流道壁面会带来额外的能量损失。为减小径向速度的能量损失，考虑周向速度和径向速度的影响，在微型圆盘泵中引入螺旋形流道，提高运行效率。但目前未有涉及带螺旋形流道的微型圆盘泵的设计方法公开。

为解决现存问题，本发明提供一种微型圆盘泵设计方法，采用螺旋形流道，利用层流边界层理论设计出微型圆盘泵主要参数，提高微型圆盘泵效率。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种带螺旋形流道的微型圆盘泵设计方法。

本发明的目的是这样实现的，一种带螺旋形流道的微型圆盘泵设计方法，其特征在于，包括泵体B、圆盘B，在泵体B上加工出螺旋形流道、进口流道B和出口流道B；在圆盘B上加工出圆槽B；泵体B装入圆盘B的圆槽B中；驱动源与圆盘B传动连接，带动圆盘B转动；圆盘B对泵体B上的螺旋形流道内的流体剪切做功，将流体从进口流道B输运到出口流道B，提高流体压力；

设计时包括两部分设计，第一部分是设计带圆弧形流道的微型圆盘泵A，第二部分是根据带圆弧形流道的微型圆盘泵A的设计参数，设计带螺旋形流道的微型圆盘泵；

第一部分，设计带圆弧形流道的微型圆盘泵A，包括泵体A、圆盘A，在泵体A上加工出圆弧形流道、进口流道A和出口流道A；在圆盘A上加工出圆槽A；泵体A装入圆盘A的圆槽A中；根据所需流量Q和所需升压Δp，基于层流边界层理论，设计出圆弧形流道的深度b

S1.选取圆弧形流道的深度b

S2.选取圆盘A的转速ω

S3.选取圆弧形流道的包角系数C

式中，C

α

S4.选取带圆弧形流道的微型圆盘泵A的能量系数η

S5.计算出圆弧形流道的外径R

式中，R

S6.选取进口流道A的设计流速v，取值范围是0m/s

式中，v是进口流道A的设计流速，单位是m/s；Q是微型圆盘泵A的所需流量，单位是m

出口流道A的直径D

S7.采用试算方法计算出圆弧形流道的外径R

R

S8.将步骤S1–S7确定的各设计参数代入式(六)：

式中，P

1.5·Q·Δp≥η

第二部分，根据第一部分设计出的带圆弧形流道的微型圆盘泵A的设计参数，设计带螺旋形流道的微型圆盘泵，包括螺旋形流道的深度b

S9.选取圆盘B的转速ω

S10.选取螺旋形流道的包角系数C

式中，C

α

S11.选取螺旋形流道的初始外径R

S12.选取螺旋形流道的初始内径R

S13.选取螺旋形流道的外径的倾斜度β

S14.根据步骤S11–S13确定的螺旋形流道的几何参数，利用等角螺旋线公式，绘制出螺旋形流道的型线；

螺旋形流道的外径的型线方程为式(十)：

r

式中，r

螺旋形流道的内径的型线方程为式(十一)：

r

式中，r

S15.进口流道B的直径D

D

进口流道B要与螺旋形流道的外径和内径平顺过渡：

S16.出口流道B的直径D

出口流道B要与螺旋形流道的外径和内径平顺过渡；

S17.利用式(十四)计算螺旋形流道的深度b

通过步骤S1–S17，就可设计出带螺旋形流道的微型圆盘泵。

圆弧形流道的深度b

圆盘A的转速ω

圆弧形流道的包角系数C

圆盘B的转速ω

螺旋形流道的包角系数C

螺旋形流道的初始外径R

螺旋形流道的初始内径R

螺旋形流道的外径的倾斜度β

螺旋形流道的内径的倾斜度β

通过本发明，提供了一种带螺旋形流道的微型圆盘泵设计方法，零件包括泵体B、圆盘B。在泵体B上加工出螺旋形流道、进口流道B和出口流道B。在圆盘B上加工出圆槽B。泵体B装入圆盘B的圆槽B中。驱动源带动圆盘B。圆盘B对泵体B上的螺旋形流道内的流体剪切做功，将流体从进口流道B输运到出口流道B，提高流体压力。

一种带螺旋形流道的微型圆盘泵设计方法，设计方法包括两部分，第一部分是设计带圆弧形流道的微型圆盘泵A，第二部分是根据带圆弧形流道的微型圆盘泵A的设计参数，设计带螺旋形流道的微型圆盘泵。第一部分，设计带圆弧形流道的微型圆盘泵A，零件包括泵体A、圆盘A。在泵体A上加工出圆弧形流道、进口流道A和出口流道A。在圆盘A上加工出圆槽A。泵体A装入圆盘A的圆槽A中。根据所需流量Q和所需升压Δp，基于层流边界层理论，设计出圆弧形流道的深度b

本发明提供的一种带螺旋形流道的微型圆盘泵，具有设计简单、结构新颖、效率较高等优点。

以上是本发明提供的一种带螺旋形流道的微型圆盘泵设计方法。以下说明本发明首次提出的式(六)和(十四)的推导过程。

假设圆弧形流道内为层流，周向速度是轴向线性分布，壁面无速度滑移，根据牛顿内摩擦定律，得圆盘周向局部剪切应力式(十五)。

式中，τ是圆盘周向局部剪切应力，单位是Pa。r是径向坐标，单位是m。圆盘A对圆弧形流道内的流体做功，功率是转矩和角速度之积，转矩是剪切应力和径向坐标之积，代入式(十五)，则理论功率写成式(十六)。

式中，P

同理，推得圆盘B对螺旋形流道内的流体做功的理论功率，即式(十七)。

式中，P

至此，式(六)和(十四)推导完成。

附图说明

图1为带圆弧形流道的微型圆盘泵A的剖面图；

图2为圆盘A的剖面图；

图3为泵体A的一个方向示意图；

图4为泵体A的剖视图；

图5为带螺旋形流道的微型圆盘泵的剖面图；

图6为圆盘B的剖面图；

图7为泵体B的一个方向示意图；

图8为泵体B的剖视图；

图中：1泵体A、1-1圆弧形流道、1-2进口流道A、1-3出口流道A、2圆盘A、2-1圆槽A、3泵体B、3-1螺旋形流道、3-2进口流道B、3-3出口流道B、4圆盘B、4-1圆槽B、5驱动源。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步说明。

一种带螺旋形流道的微型圆盘泵设计方法，先设计带圆弧形流道的微型圆盘泵A(图1-4)，再设计带螺旋形流道的微型圆盘泵(图5-8)。

一种带螺旋形流道的微型圆盘泵设计方法，零件包括泵体B3、圆盘B4，在泵体B3上加工出螺旋形流道3-1、进口流道B3-2和出口流道B3-3。在圆盘B4上加工出圆槽B4-1。泵体B3装入圆盘B4的圆槽B4-1中。驱动源5带动圆盘B4。圆盘B4对泵体B3上的螺旋形流道3-1内的流体剪切做功，将流体从进口流道B3-2输运到出口流道B3-3，提高流体压力。

一种带螺旋形流道的微型圆盘泵设计方法，设计方法包括两部分，第一部分是设计带圆弧形流道的微型圆盘泵A，第二部分是根据带圆弧形流道的微型圆盘泵A的设计参数，设计带螺旋形流道的微型圆盘泵。

第一部分，设计带圆弧形流道的微型圆盘泵A，零件包括泵体A1、圆盘A2。在泵体A1上加工出圆弧形流道1-1、进口流道A1-2和出口流道A1-3。在圆盘A2上加工出圆槽A2-1。泵体A1装入圆盘A2的圆槽A2-1中。根据所需流量Q和所需升压Δp，基于层流边界层理论，设计出圆弧形流道1-1的深度b

S1.选取圆弧形流道1-1的深度b

S2.选取圆盘A2的转速ω

S3.选取圆弧形流道1-1的包角系数C

式中，C

α

S4.选取带圆弧形流道的微型圆盘泵A的能量系数η

S5.计算出圆弧形流道1-1的外径R

式中，R

S6.选取进口流道A1-2的设计流速v，取值范围是0m/s

式中，v是进口流道A1-2的设计流速，单位是m/s。Q是微型圆盘泵A的所需流量，单位是m

出口流道A1-3的直径D

S7.采用试算方法计算出圆弧形流道1-1的外径R

R

S8.将步骤S1–S7确定的各设计参数代入式(六)，

式中，P

1.5·Q·Δp≥η

第二部分，根据第一部分设计出的带圆弧形流道的微型圆盘泵A的设计参数，设计带螺旋形流道的微型圆盘泵，包括螺旋形流道3-1的深度b

S9.选取圆盘B4的转速ω

S10.选取螺旋形流道3-1的包角系数C

式中，C

α

S11.选取螺旋形流道3-1的初始外径R

S12.选取螺旋形流道3-1的初始内径R

S13.选取螺旋形流道3-1的外径的倾斜度β

S14.根据步骤S11–S13确定的螺旋形流道3-1的几何参数，利用等角螺旋线公式，绘制出螺旋形流道3-1的型线。

螺旋形流道3-1的外径的型线方程为式(十)。

r

式中，r

螺旋形流道3-1的内径的型线方程为式(十一)。

r

式中，r

S15.进口流道B3-2的直径D

D

进口流道B3-2要与螺旋形流道3-1的外径和内径平顺过渡。

S16.出口流道B3-3的直径D

出口流道B3-3要与螺旋形流道3-1的外径和内径平顺过渡。

S17.利用式(十四)计算螺旋形流道3-1的深度b

通过步骤S1–S17，就可设计出带螺旋形流道的微型圆盘泵。

综上，本发明提供了一种带螺旋形流道的微型圆盘泵设计方法，零件包括泵体B3、圆盘B4。在泵体B3上加工出螺旋形流道、进口流道B3-2和出口流道B3-3。在圆盘B4上加工出圆槽B4-1。泵体B3装入圆盘B4的圆槽B4-1中。驱动源5带动圆盘B4。圆盘B4对泵体B3上的螺旋形流道3-1内的流体剪切做功，将流体从进口流道B3-2输运到出口流道B3-3，提高流体压力。

一种带螺旋形流道的微型圆盘泵设计方法，设计方法包括两部分，第一部分是设计带圆弧形流道的微型圆盘泵A，第二部分是根据带圆弧形流道的微型圆盘泵的设计参数，设计带螺旋形流道的微型圆盘泵。第一部分，设计带圆弧形流道的微型圆盘泵，零件包括泵体A1、圆盘A2。在泵体A1上加工出圆弧形流道1-1、进口流道A1-2和出口流道A1-3。在圆盘A2上加工出圆槽A2-1。泵体A1装入圆盘A2的圆槽A2-1中。根据所需流量Q和所需升压Δp，基于层流边界层理论，设计出圆弧形流道1-1的深度b

设计一个微型圆盘泵，用来输送液体。液体物性是：运动粘度υ＝0.0004m

一种带螺旋形流道的微型圆盘泵设计方法，设计方法包括两部分，第一部分是设计带圆弧形流道的微型圆盘泵，第二部分是根据带圆弧形流道的微型圆盘泵的设计参数，设计带螺旋形流道的微型圆盘泵。

第一部分，设计带圆弧形流道的微型圆盘泵A，零件包括泵体A1、圆盘A2，如图1-4所示。在泵体A1上加工出圆弧形流道1-1、进口流道A1-2和出口流道A1-3。在圆盘A2上加工出圆槽A2-1。泵体A1装入圆盘A2的圆槽A2-1中。根据所需流量Q和所需升压Δp，基于层流边界层理论，设计出圆弧形流道1-1的深度b

S1.选取圆弧形流道1-1的深度b

S2.选取圆盘A2的转速ω

S3.选取圆弧形流道1-1的包角系数C

式中，C

α

S4.选取带圆弧形流道的微型圆盘泵的能量系数η

S5.计算出圆弧形流道1-1的外径R

式中，R

S6.选取进口流道A1-2的设计流速v，取值范围是0m/s

式中，v是进口流道A1-2的设计流速，单位是m/s。Q是微型圆盘泵的所需流量，单位是m

出口流道A1-3的直径D

S7.采用试算方法计算出圆弧形流道1-1的外径R

R

S8.将步骤S1–S7确定的各设计参数代入式(六)，

式中，P

1.5·Q·Δp≥η

式中，1.5·Q·Δp＝0.0018W，η

第二部分，根据第一部分设计出的带圆弧形流道的微型圆盘泵A的设计参数，设计带螺旋形流道的微型圆盘泵，如图5-8所示，包括螺旋形流道3-1的深度b

S9.选取圆盘B4的转速ω

S10.选取螺旋形流道3-1的包角系数C

式中，C

α

S11.选取螺旋形流道3-1的初始外径R

S12.选取螺旋形流道3-1的初始内径R

S13.选取螺旋形流道3-1的外径的倾斜度β

S14.根据步骤S11–S13确定的螺旋形流道3-1的几何参数，利用等角螺旋线公式，绘制出螺旋形流道3-1的型线。

螺旋形流道3-1的外径的型线方程为式(十)。

r

式中，r

螺旋形流道3-1的内径的型线方程为式(十一)。

r

式中，r

S15.进口流道B3-2的直径D

D

进口流道B3-2要与螺旋形流道3-1的外径和内径平顺过渡。

S16.出口流道B3-3的直径D

出口流道B3-3要与螺旋形流道3-1的外径和内径平顺过渡。

S17.利用式(十四)计算螺旋形流道3-1的深度b

通过步骤S1–S17，设计出了带螺旋形流道的微型圆盘泵。

使用ANSYS分别对具体实施例中的带圆弧形流道的微型圆盘泵和带螺旋形流道的微型圆盘泵进行数值模拟，发现带螺旋形流道的微信圆盘泵比带圆弧形流道的微型圆盘泵的效率高3％左右。

本发明提供的一种带螺旋形流道的微型圆盘泵，具有设计简单、结构新颖、效率较高等优点。