为了提高半圆柱阻流体无阀压电泵的流量，结合锥形腔的流阻不等特性，该文设计了一种半圆柱阻流体锥形腔无阀压电泵，并建立了其流量的理论公式。数值模拟了该泵的泵腔流速分布，对比分析了其与半圆柱阻流体无阀压电泵的阻力特性。模拟结果表明，半圆柱阻流体锥形腔无阀压电泵能实现流体的单向输送，且其输送能力优于半圆柱阻流体无阀压电泵。制作了两种泵的样机并进行了流量和压力差试验。试验结果表明，在驱动电压220 V下，半圆柱阻流体锥形腔无阀压电泵的最高流量和压力差分别为30.96 g/min和394 Pa，与半圆柱阻流体无阀压电泵相比，其流量和压力差均得到提高。

设计了一种压电泵驱动闭式水冷回路传热系统, 压电泵采用双腔串联结构, 在150 V驱动电压下, 泵水流量达330 mL/min。为了分析水蒸气对压电泵驱动闭式水冷回路传热性能影响, 该文采用实验方法研究了不同充液率下压电泵驱动水冷回路的启动和稳态工作特点。实验结果表明, 闭式回路内压电泵在充液率大于0.895时才能启动。当充液率大于0.930时, 少量气相的存在对压电泵及传热系统的工作性能影响较小, 系统传热热阻小于0.2 ℃/W。

针对生物、化学、医学、航空等领域混合输送微流体、微流体介质的需要, 提出了集流体混合、泵送为一体的复合阻流体无阀泵, 并借助复合阻流体致涡实现涡致混合功能。基于流体绕流原理对绕流阻力进行了全新诠释和表达; 并利用“尾流空间压强比较法”和“流体单元动量分析法”进行了绕流复合阻流体的阻力分析, 揭示了复合阻流体致阀及其本质性成因; 改变传统无阀泵的结构, 通过引入分流环和复合阻流体, 减少泵回流量的同时实现了涡致混合的功能。制作了泵样机, 在驱动频率为11 Hz、电压为180 V条件下进行了泵流量试验和流体混合试验, 其瞬时流量达到53.7 mL/min; 同时, 借助流体涡的运动较好地混合了流体, 试验验证了新型泵具有混合及泵送流体的功能。新型泵的提出创新和丰富了无阀泵的结构和功能, 为无阀泵应用于微流体混合传输领域奠定了基础。

为了提高压电驱动芯片水冷系统的适用性、可维护性以及冷却效率, 本文提出一种组合式压电驱动芯片水冷系统。首先, 测试和分析了芯片水冷系统中组合式泵单元在220 Vpp方波驱动下不同组合方式(串/并联)、泵工作数量以及相对位置时的输出性能, 接着, 基于组合式泵单元的试验结果进行芯片水冷系统的水冷效果研究。实验结果表明: 串联组合双泵工作时, 双泵位于串联组合首尾位置(AD)时性能较优, 在30 Hz时获得最大输出压力(25 kPa); 串联组合四泵工作时, 分别在35 Hz和55 Hz获得了最大压力(23.5 kPa)和最大流量(13.5 mL/min); 并联组合双泵工作时, 双泵都位于组合首位(AC)时性能较差; 并联组合四泵工作时, 分别在50 Hz和60 Hz获得最大输出流量(22 mL/min)和最大输出压力(12.6 kPa); 通过串并联以及泵工作数量的切换获得了芯片水冷系统的冷却效果, 不同的组合方式以及泵工作数量可以获得不同的冷却效果。获得了组合式压电驱动芯片水冷系统的驱动参数, 为计算机芯片有效散热提供一条新途径。

由于有阀压电泵内部阀体所受应力过大易导致阀体失效，本文提出了钹型开槽式截止阀来减小有阀压电泵内部阀体所受应力。基于钹型开槽式截止阀设计了有阀压电泵，分析了钹型开槽式阀压电泵的工作原理。对钹型开槽膜片进行了受力分析，研究了该压电泵的输出性能及耦合作用下的膜片应力。加工制作了钹型开槽式阀压电泵样机，建立了钹型开槽式阀压电泵的有限元模型，数值计算了流固耦合作用下的阀体应力值。计算结果表明: 在压电泵正常输出的驱动频率范围内，当驱动频率为418 Hz时，膜片所受应力的计算值也达到最大，为81.74 MPa。最后，进行了压电泵性能试验。试验结果显示: 该压电泵的输出流量最大值和振子振幅最大值均出现在低频段; 当驱动电压为160 V，驱动频率为5 Hz时，输出流量达到最大，为6.6 g/min; 驱动频率为4 Hz时，压电振子振幅达到最大，为165.8 μm。文中的研究验证了钹型开槽式阀体压电泵的有效性，并得出当钹型开槽式阀压电泵工作在低频段时，阀门所受应力远小于高频段时阀门的应力值。

气泡滞留会严重地损害微型压电泵的输出性能, 因此减少气泡滞留将有效地提高压电泵系统的稳定性和可靠性。泵腔作为气泡滞留的主要区域, 同时是决定输出性能的重要元素, 所以改变腔高将对气泡滞留产生重要的影响。本文从气泡压力降和输出压力两个方面建立数学模型, 以此分析腔高对气泡滞留的影响规律, 最后通过气泡滞留实验进行验证。实验结果表明, 腔高为0.15 mm时, 压电泵具有优良的输出性能和排气泡能力, 在进入120个0.02 mL气泡后, 压电泵仍具有稳定的输出压力(8.1 kPa)和输出流量(4.2 mL/min); 腔高为0.05 mm和0.20 mm时, 压电泵在进入一个气泡后即丧失了工作能力, 排气泡能力差, 而腔高为0 mm和0.10 mm时, 压电泵分别进入47和70个气泡后丧失了工作能力。实验表明选取合理的腔高可以有效地减少气泡的滞留。

以三棱柱阻流体为无移动部件阀, 结合3D打印技术的快速一体成型特点, 设计并制作了以压电振子为动力源的三棱柱阻流体无阀压电泵。分析了该无阀压电泵的工作原理、理论流量和振子振动特性, 推导出了它的的流量表达式。利用有限元法对三棱柱阻流体的流阻特性进行了仿真模拟, 由其内部压强分布及进出口流速情况, 定性分析了三棱柱阻流体的正反向流阻大小。最后, 使用3D打印机制作了该无阀泵的试验样机, 并进行了流阻和流量测量试验。试验结果表明: 三棱柱阻流体具有正反向绕流流阻不等的特性, 当驱动电压为550 V, 驱动频率为8 Hz时, 该压电泵的输出流量达到最大, 为29.8 mL/min。结果证明了该三棱柱阻流体无阀压电泵具有良好的输送流体的能力。

提出利用结构分析软件ANSYS和流体分析软件ANSYS CFX对无阀压电泵进行流固耦合仿真分析, 以研究无阀压电泵的输出性能。分别对进口在中间出口在一侧、出口在中间进口在一侧、进出口对称布置的3种不同结构形式的无阀压电泵进行了流固耦合仿真分析。结果显示, 上述3种无阀压电泵中, 出口在中间进口在一侧结构形式的无阀压电泵的宏观输出流量最大。制作了3种无阀压电泵的试验样机, 并搭建了相应的试验测试系统, 在幅值为45 V、频率为0~700 Hz 的正弦信号激励下对其输出流量进行了测试。结果表明, 3种不同结构形式的无阀压电泵的最大输出流量分别为3.8、6.0和4.0 ml/min, 出口在中间进口在一侧的压电泵输出流量最大, 与流固耦合仿真分析的结果相吻合, 验证了本文提出的流固耦合仿真分析的方法可以指导压电泵的设计。

理论研究了以半球缺群作为无移动部件阀的无阀压电泵的液体输送和混合搅拌功能,针对半球缺群迎流角的变化对该压电泵的泵送性能及混合搅拌效果的影响进行了仿真分析与试验验证。围绕迎流角θ在0°≤θ≤90° 的变化,建立多组有限元模型,模拟了半球缺群迎流角变化引起的速度场、压强差、阻力系数及仿真流量的变化规律,并进行了试验验证。结果表明,0°≤θ≤45°时,仿真流量随θ的增加而增加;45°<θ≤90°时,仿真流量随θ的增加而减小;θ≈45°时取得最大流量96.13 mL/min。此外,研究显示旋涡的大小及强度具有与仿真流量相同的变化趋势。泵流量试验验证了仿真研究及其结果的正确性: 在θ≈45°时,试验流量达到67.90 mL/min;0°<θ≤360° 时,试验流量与仿真流量的变化趋势一致,并且θ在一个周期的变化中泵流量及旋涡强度出现2次正向最大值和2次反向最大值。本研究为优化无阀压电泵的泵送性能和混合功能奠定了基础。

设计了一套压电双晶片作为激励源的半球缺阻流体无阀压电泵。分析了该压电泵的结构及工作原理，并采用有限元软件对其内部流场进行模拟分析。仿真结果表明: 该泵存在正反向流阻不等特性，半球缺阻可以作为泵的无运动部件阀。最后,实际制作了半球缺无阀压电样泵和多组半径不等的半球缺，并进行了泵的流阻及流量实验。实验结果表明: 该泵正反向流时间差随入口压强增大而减小; 当驱动电压为150 V，频率为17 Hz，半球缺半径为4.0 mm时，泵的输出流量达到最大，其值为121.4 ml/min; 同时，该泵单位时间内的输出流量随半球缺半径增大而呈递减的变化趋势，而且半球缺的半径大小对该类无阀压电泵的工作效能有较大的影响。