單向微球閥的設(shè)計(jì)及流場特性仿真與實(shí)驗(yàn)*

陸洪光, 苗曉丹, 劉世海, 陳 赫

(上海工程技術(shù)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，上海 201620)

0 引 言

隨著微加工技術(shù)的快速發(fā)展，越來越多的專家學(xué)者將注意力轉(zhuǎn)移到微流控系統(tǒng)的研究上，并取得了豐碩的成果[1～3]。而微型閥作為微流控系統(tǒng)中控制流體流向的一個(gè)關(guān)鍵單元部件，在生化醫(yī)學(xué)、工業(yè)控制等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。微型閥分為主動閥和被動閥，主動閥[4～6]需要外加驅(qū)動力控制閥的開閉，控制精度較高，體積大，成本高，不易于集成。被動閥無需外加驅(qū)動力，且尺寸小，易于集成，但是在使用壽命和加工制作上存在一定的不足[7～9]。針對被動閥存在的缺點(diǎn)，微流控專家做了大量研究。Mao Z B等人[10]采用光刻技術(shù)研制了一種微型垂直配置的SU-8懸臂止回閥，通過懸臂與閥座間的重疊設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)反向截流。但懸臂結(jié)構(gòu)容易疲勞失效，且閥的制造成本較高。Zhao R等人[11]設(shè)計(jì)了一種基于梯形閥座的弧形膜微閥，通過梯形閥座和弧形膜的配合，減少了死區(qū)面積，提高了響應(yīng)速度。由于膜片的存在，影響了該閥的使用壽命。Liu B D等人[12]將微球閥集成于玻璃毛細(xì)管中并研發(fā)了一種電磁驅(qū)動管式微泵，由于沒有給球體進(jìn)行限位，球體會隨液體流出，難以復(fù)位。同樣地，Chien H L等人[13]也將微球閥應(yīng)用到微泵中，該球閥通過錐形流體通道實(shí)現(xiàn)單向驅(qū)動。然而，通道寬口端沒有限位，球體會在腔室中移動，導(dǎo)致無法復(fù)位。

為了解決上述問題，本文設(shè)計(jì)了一種微球閥，該微球閥主要由閥體、球體、閥口組成。由于該微球閥結(jié)構(gòu)簡單，通過分體設(shè)計(jì)，采用3D打印技術(shù)，可以大批量生產(chǎn)，且成本低，易集成于微流控系統(tǒng)。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工作原理

本文設(shè)計(jì)了一種單向微球閥，如圖1(a)所示。該微球閥主要由閥體、球體、閥口組成。其中，閥體中閥腔Φ4 mm，高4 mm；閥口包括Φ2 mm的閥入口和中心孔Φ2 mm，邊緣0.5 mm寬扇狀的類輪輻閥出口。

單向微球閥的工作原理如圖1(b)所示。圖1(b1)為單向微球閥正向?qū)Я鳡顟B(tài)，當(dāng)閥入口接入一定流速的液體時(shí)，流動的液體沖擊球體，球體受到向上的流體沖擊力作用，會向上移動，從而微球閥開啟，控制液體的流出。圖1(b2)為單向微球閥反向截流狀態(tài)，由于球體自身受到重力作用，當(dāng)微球閥豎直或者傾斜放置時(shí)，球體會堵住閥入口。若此時(shí)類輪輻閥出口處有液體流入，流動的液體對球體有向下的沖擊力作用，球體被壓緊在閥入口處，從而使得液體無法從閥入口處流出。

圖1 單向微球閥結(jié)構(gòu)和工作原理

2 數(shù)學(xué)模型與理論分析

2.1 湍流模型

由于球閥內(nèi)部流體流動為比較復(fù)雜的三維湍流流動，為了方便求解，在處理此問題時(shí)，將流體假設(shè)為定常流動的理想流體。流體流動遵循質(zhì)量守恒、能量守恒和動量守恒三大定律，此外，對于湍流流動還需要滿足湍流方程。標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型在工程上得到廣泛應(yīng)用，其方程為

ρε-YM+Sk

(1)

(2)

式中Gk為平均速度梯度產(chǎn)生的湍流動能；Gb為浮力產(chǎn)生的湍流動能；YM為可壓縮湍流中波動膨脹對總耗散率的貢獻(xiàn)；σk和σε分別為k和ε湍流普朗特?cái)?shù)；μt為湍流粘度；C1ε,C2ε和C3ε為常數(shù)。

2.2 理論分析

流體從不同方向沖擊球體使得球體在閥體中運(yùn)動，從而實(shí)現(xiàn)單向微球閥的開閉功能，因此確定流體沖擊力的大小是本文研究的關(guān)鍵一步。

以球體的球心為坐標(biāo)原點(diǎn)建立如圖2所示的平面直角坐標(biāo)系，對球體進(jìn)行受力分析。

圖2 球體受力分析

設(shè)球體的質(zhì)量為m，重力加速度為g。僅考慮受到流體沖擊力F的作用以及球體自身的重力作用，其中流體沖擊力F與x軸正方向形成夾角θ。根據(jù)牛頓第二定律，可以列出如式(3)的運(yùn)動學(xué)方程

(3)

由于本文中微球閥是豎直放置，流體是從下往上勻速流入微球閥內(nèi)，為了簡化分析，可將流體沖擊力F與x軸正方向形成的夾角θ認(rèn)為是90°。則運(yùn)動學(xué)方程可簡化為

may=F-mg

(4)

由式(4)并結(jié)合實(shí)際情況可知。當(dāng)F小于或等于mg時(shí)，球體不向上運(yùn)動；當(dāng)F大于mg時(shí)，球體向上運(yùn)動。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 流速的確定

不同材料和不同尺寸的球體對球閥的整體性能有著一定程度的影響。為此，本文采用ABS塑料、氮化硅陶瓷和軸承鋼金屬三種不同材料的球體，并且球體的尺寸最小Φ2 mm,最大Φ3.5 mm。由于軸承鋼的密度最大，在相同尺寸下質(zhì)量最大。為了保證各種材料和不同尺寸的球體在流體沖擊下均能向上運(yùn)動，本文對Φ2 mm和Φ3.5 mm，重力分別為32.1 mN和171.7 mN的軸承鋼球體在球心放置于閥腔同一初始高度1.5 mm處時(shí)，不同流體速度下進(jìn)行仿真分析。運(yùn)用FLUENT 2020R2軟件，流體材料采用常溫下液態(tài)水進(jìn)行分析。在球體上添加監(jiān)測，得到如圖3所示的球面上壓力P與流速v以及如圖4所示的球體上流體沖擊力F與流速v的關(guān)系。

圖3 壓力P與流速v的關(guān)系

圖4 流體沖擊力F與流速v的關(guān)系

圖3和圖4表明，兩個(gè)不同直徑大小的球體，在閥腔內(nèi)初始高度1.5 mm處時(shí)，均呈現(xiàn)出隨著流體流速的增大球面上壓力P和球體上流體沖擊力F均增大的趨勢。但是，兩個(gè)球體的球面上壓力P差異較大。Φ2.0 mm的球體球面上壓力P變化較緩，Φ3.5 mm的球體球面上壓力P變化較快且遠(yuǎn)大于Φ2.0 mm的球體球面上壓力P。此外，兩個(gè)球體上流體沖擊力F也顯著不同。在同一流速沖擊下，Φ3.5 mm的球體上流體沖擊力F遠(yuǎn)大于Φ2.0 mm的球體上流體沖擊力F。主要原因是Φ3.5 mm的球體較大，在閥腔內(nèi)初始高度1.5 mm處時(shí)，閥入口與球體之間間隙過小，流體流通困難，而流體又不斷的流入，最終導(dǎo)致Φ3.5 mm的球體球面上壓力P和球體上流體沖擊力F都較大。因此，選擇合適的球體大小是提高微球閥性能的關(guān)鍵。

為了能夠較好地估算出Φ3.5 mm的球體上流體沖擊力F，本文將Φ2.0 mm的球體球面上壓力P1作用于Φ3.5 mm的球體上。由圖4可知，當(dāng)流速為3 m/s時(shí)，Φ2.0 mm的球體上流體沖擊力F為34.19 mN，此時(shí)的流體沖擊力F已經(jīng)能夠讓Φ2.0 mm,重力32.1 mN的軸承鋼球體向上運(yùn)動。當(dāng)流速為4 m/s時(shí)，Φ3.5 mm的球體在P1作用時(shí)的流體沖擊力F為173.93 mN，此時(shí)的流體沖擊力F已經(jīng)能夠讓Φ3.5 mm,重力171.7 mN的軸承鋼球體向上運(yùn)動。

3.2 性能預(yù)測

由于球體的材料變化在FLUENT 2020R2流場分析中不能有效識別，故下文仿真分析時(shí)不考慮球體材料性能。流體材料采用常溫下液態(tài)水，僅以4 m/s的入口速度，對Φ2.0,Φ2.5,Φ3.0，Φ3.5 mm的球體在閥腔中1.5，1.75，2.00，2.25,2.50 mm五個(gè)不同開啟高度處的流場特性進(jìn)行仿真分析。

3.2.1 流量系數(shù)

流量系數(shù)是閥門的重要工藝參數(shù)和技術(shù)指標(biāo)，它是對閥門流通能力的表征，其表達(dá)式為

(5)

式中Kv為流量系數(shù)；Q為體積流量；G=ρ/ρN，ρ為液體的實(shí)際密度；ρN為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下水的密度；ΔP為閥門前后壓力差。圖5為在不同開啟高度處，不同球體大小的微球閥流量系數(shù)變化模擬圖。

圖5 微球閥流量系數(shù)

由圖5可知，不同球體大小的微球閥流量系數(shù)隨著開啟高度不同變化差異較大。Φ2.0,Φ2.5,Φ3.0 mm球體的微球閥流量系數(shù)隨著開啟高度的升高均呈現(xiàn)緩慢下降趨勢，其中，Φ2.0 mm球體的微球閥流量系數(shù)最大，Φ3.0 mm球體的微球閥流量系數(shù)最小。而Φ3.5 mm球體的微球閥，其流量系數(shù)呈現(xiàn)出隨著隨著開啟高度的升高先上升后下降的趨勢。由此可知，微球閥的流量系數(shù)隨球體的增大而減小，大部分微球閥的流量系數(shù)隨開啟高度的升高而減小，個(gè)別微球閥的流量系數(shù)隨開啟高度的升高產(chǎn)生波動。

3.2.2 阻力系數(shù)

阻力系數(shù)是流體力學(xué)中的一個(gè)無量綱量，它是對流體流經(jīng)管道時(shí)所受阻力作用大小的表征，其表達(dá)式為

(6)

式中ζ為阻力系數(shù)；v為液體的平均流速。

圖6為在不同開啟高度處，不同球體大小的微球閥阻力系數(shù)變化模擬圖。

圖6 微球閥阻力系數(shù)

由圖6可知，不同球體大小的微球閥阻力系數(shù)隨著開啟高度不同均呈現(xiàn)下降趨勢。Φ2.0 mm和Φ2.5 mm球體的微球閥阻力系數(shù)變化趨勢基本一致且數(shù)值較小，而Φ3.5 mm球體的微球閥在初始開啟高度時(shí)阻力系數(shù)最大。當(dāng)開啟高度達(dá)到2.0 mm時(shí)，四種球體微球閥的阻力系數(shù)均趨于0。因此，較小尺寸的球體對微球閥阻力系數(shù)不會產(chǎn)生較大影響，開啟高度達(dá)到一定值時(shí)，也不會影響微球閥的阻力系數(shù)。

3.3 流場分布

球體直徑大小不同且處于不同開啟高度的微球閥，其流場仿真的性能既存在差異性也存在相似性。因此，本文研究時(shí)重點(diǎn)分析了球體處于1.75 mm開啟高度和2.00 mm開啟高度這兩個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)處，微球閥內(nèi)部流場分布特性。

3.3.1 壓力分布特性

圖7分別為四種不同直徑的球體處于1.75 mm和2.00 mm開啟高度處，微球閥的內(nèi)部壓力云圖。

圖7 不同開啟高度下微球閥內(nèi)部壓力云圖

由圖7可知，靠近入口處的球體表面上壓力較大且集中，出口處壓力較小，閥腔內(nèi)其余部分壓力分布相對均勻。在相同開啟高度處，球體越大，球體表面上受到的壓力越大，出入口壓差越大；同一大小的球體，當(dāng)其開啟高度不同時(shí)，球體表面上受到的壓力也不同。在2.00 mm開啟高度處球體表面上受到的壓力小于在1.75 mm開啟高度處受到的壓力。這表明，球體大小和開啟高度對微球閥內(nèi)部壓力分布有重要影響。球體越小，微球閥流通能力越好，阻力系數(shù)越小，不容易發(fā)生空化。開啟高度越高，微球閥內(nèi)部性能越好。

3.3.2 速度分布特性

圖8分別為四種不同直徑的球體處于1.75 mm和2.00 mm開啟高度處，微球閥的內(nèi)部速度云圖。

圖8 不同開啟高度下的微球閥內(nèi)部速度云圖

由圖8可知，入口處和出口處流速較大且出口處流速大于入口處流速；流通截面發(fā)生突變處的球體周圍流速達(dá)到最大，有高速射流產(chǎn)生；中心孔處比邊緣扇狀處的流速大，微球閥內(nèi)部整體流速分布不均。在相同開啟高度處，球體越大，微球閥內(nèi)部流速越大；同一大小的球體，當(dāng)其開啟高度不同時(shí)，微球閥內(nèi)部流速也不同。在2.00 mm開啟高度處微球閥內(nèi)部流速小于在1.75 mm開啟高度處的流速。這表明，球體大小和開啟高度對微球閥內(nèi)部流速分布也有重要影響。球體越小，微球閥內(nèi)部流通越平穩(wěn)。開啟高度越高，微球閥內(nèi)部性能越好。

4 實(shí)物制作與實(shí)驗(yàn)

4.1 實(shí)物制作

本微球閥采用普通的3D打印技術(shù)進(jìn)行加工制作。具體加工制作流程如圖9所示。為了加工方便，本文將微球閥的主體部分拆分成①，②和③三個(gè)部分分別加工，然后將球體和這三個(gè)部分進(jìn)行裝配，最后用AB膠進(jìn)行密封，防止漏氣。

圖9 微球閥加工制作流程圖

4.2 測試實(shí)驗(yàn)

4.2.1 測試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)搭建

本文實(shí)驗(yàn)搭建了如圖10所示的系統(tǒng)裝置。系統(tǒng)裝置主要由液體容器、小型泵、軟管、微球閥和鋼尺組成。

圖10 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)裝置

本文實(shí)驗(yàn)采用去離子水作為實(shí)驗(yàn)液體。為了便于觀察和測量，在去離子水中加入碘伏給液體進(jìn)行著色處理。此外，在實(shí)驗(yàn)前先將軟管中注入液體至微球閥類輪輻閥出口外軟管接口處，防止因軟管中有氣泡存在而使得實(shí)驗(yàn)結(jié)果不準(zhǔn)確。

4.2.2 測試實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

改變調(diào)節(jié)器的電壓值來改變小型泵提供的液體入口速度。為了減少實(shí)驗(yàn)誤差，采用多次測量取平均值的方法獲取最終實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。小型泵通電工作后，用鋼尺測量液柱的移動距離ΔL，流量可以通過式(7)進(jìn)行計(jì)算

Q=ΔL·S/t

(7)

式中Q為體積流量；ΔL為液柱移動距離；S為軟管截面積；t為時(shí)間。

對ABS塑料、氮化硅陶瓷和軸承鋼金屬三種不同材質(zhì)的四種不同直徑球體微球閥進(jìn)行正向?qū)Я骱头聪蚪亓餍阅軠y試，可以得到如圖11所示的微球閥流量特性曲線。圖11(a)～(d)表明，在不同電壓下，相同直徑不同材質(zhì)球體的微球閥中，ABS塑料球體的微球閥正向?qū)Я髁髁恐底畲?，即正向?qū)Я餍Ч詈?，且反向截流流量值也最大，即反向截流效果最差；相同直徑不同材質(zhì)球體的微球閥中，氮化硅陶瓷球體和軸承鋼金屬球體的微球閥正向?qū)Я骱头聪蚪亓髁髁恐档拇笮『妥兓厔葺^一致，但氮化硅陶瓷球體的微球閥正向?qū)Я餍Ч院糜谙嗤睆较螺S承鋼金屬球體的微球閥的效果，而軸承鋼金屬球體的微球閥反向截流效果略好于相同直徑下氮化硅陶瓷球體的微球閥的效果。此外，Φ2.0 mm的ABS塑料球體的微球閥正向?qū)Я餍Ч詈茫S承鋼金屬球體的微球閥反向截流效果最好，且當(dāng)球體的直徑達(dá)到3.0 mm及以上時(shí)，微球閥的正向?qū)Я餍Ч@著下降，微球閥的反向截流效果顯著提高。

由于微球閥要用于控制液體的流動，會長期浸泡于液體中，ABS塑料材質(zhì)的球體會受到浮力的作用而影響微球閥的功能，軸承鋼金屬材質(zhì)的球體會生銹而污染液體，而氮化硅陶瓷材質(zhì)的球體在這兩方面有較好的優(yōu)勢。

綜上所述，采用Φ2.5 mm的氮化硅陶瓷球體的微球閥既可以達(dá)到相對較好的正向?qū)Я餍Ч?，又能夠較好的反向截流。同時(shí)，能夠長期地在液體環(huán)境中工作。

5 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一種單向微球閥，其中，微球閥的類輪輻閥出口既可以作為液體出口，也可以限制球體的移動，防止球體隨著液體流到其他位置。

1)微球閥的流量系數(shù)隨球體的增大而減小，大部分微球閥的流量系數(shù)隨開啟高度的升高而減小，個(gè)別微球閥的流量系數(shù)隨 開啟高度的升高產(chǎn)生起伏；微球閥的阻力系數(shù)隨球體的增大而增大，隨開啟高度的升高而減??；流量系數(shù)和阻力系數(shù)可以較好地表征微球閥的性能。

2)微球閥的球體越小，并且開啟高度越高，微球閥內(nèi)部壓力越小，出入口壓力差越小，內(nèi)部速度越小，流通性能越好。

3)微球閥結(jié)構(gòu)件簡單，采用3D打印技術(shù)對設(shè)計(jì)的微球閥進(jìn)行加工制作，可實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)，且成本低。

4)微球閥的球體越小，其正向?qū)Я髁髁刻匦栽胶?，但是反向截流流量特性相對較差；ABS塑料材質(zhì)的球體微球閥正向?qū)Я髁髁刻匦宰詈?，軸承鋼金屬材質(zhì)球體的微球閥反向截流流量特性最好。結(jié)合工作環(huán)境，最終采用Φ2.5 mm氮化硅陶瓷球體的微球閥，既可以達(dá)到相對較好的正向?qū)Я餍Ч?，又能較好的反向截流。

本文設(shè)計(jì)的微球閥可以控制液體單向流動，并為其集成化應(yīng)用于微流控系統(tǒng)中和微型化優(yōu)化提供了理論依據(jù)。