V型无阀压电泵的流场分析

简述了V型无阀压电泵的结构和工作原理,通过对其流动进行理论分析,建立泵的平均流量方程和效率公式.采用有限元方法建立V型无阀压电泵的简化模型,通过对V型无阀压电泵内部流场进行模拟分析,得到供给状态与泵送状态下的压力云图与速度矢量图.通过与并联扩散管压电泵在不同进出口压差下的压力损失系数比进行比较发现其变化规律的一致性,且V型无阀压电泵压力损失系数比的曲线平直上升,说明V型无阀压电泵比并联扩散管压电泵的流动稳定性好,从而验证了V型无阀压电泵的可靠性.     

“V”形无阀压电泵理论分析与数值模拟

基于无阀压电泵中扩散/渐缩管流动特性,提出一种用于无阀压电泵的新型“V”形管,以满足微型全分析系统的应用要求.阐述了“V”形无阀压电泵的结构和工作原理,对“V”形无阀压电泵内的流动进行理论分析,得到了“V”形无阀压电泵的平均流量计算公式和效率公式.采用有限元方法对“V”形管进行模拟计算,得到了“V”形管内正反流动的压力分布,发现“V”形管正反流动的速度存在差异.通过分析得出最优分流角与扩散角.在不同进出口压力差下,对“V”形管、并联扩散管以及＂Y＂形管的压力损失系数比进行比较,发现前两者压力损失系数比曲线变化趋势具有一致性,证明了“V”形管数值模拟的可靠性.数值计算结果对“V”形无阀压电泵优化设计具有指导意义.     

三通全扩散/收缩管无阀压电泵的流阻性能

针对传统扩散/收缩管无阀压电泵效率低的不足,提出一种新型三通全扩散/收缩管无阀压电泵.为了寻求新型三通全扩散/收缩管流管的最佳几何尺寸参数,在有限元仿真试验方法的基础上,将新型三通全扩散/收缩管与传统扩散/收缩管进行性能对比分析.分别改变三通全扩散/收缩管的分流锥管长度L2、分流锥管夹角φ、分流锥管的锥角2θ和分流锥管宽度b2,研究分流锥管结构参数对三通全扩散/收缩管流阻特性的影响.结果表明,相对于传统扩散/收缩管,三通全扩散/收缩管的反向流阻系数与正向流阻系数之比λ在较高雷诺数下大于传统扩散/收缩管,可提高无阀压电泵的效率;在不同雷诺数流动下,三通全扩散/收缩管的最优结构参数相差较大,设计时必须要根据实际工况选用合适的结构参数.     

基于正交设计法的“V”形管优化设计

基于无阀压电泵中扩散/渐缩管流动特性,提出一种新型“V”形管.为了获得“V”形管最佳的流阻性能,对“V”形管的结构参数进行优化设计.基于正交设计法,采用有限元仿真的试验方法,设计了一个四因素三水平的正交方案,并对仿真试验所获得的数据进行极差分析,得到了各几何参数对“V”形管流阻系数影响的主次顺序,同时获得较合理的新方案.通过进行再设计和分析,并与正交方案进行对比,最终验证了新方案是最优方案,为“V”形管无阀压电泵的优化设计提供了一定的参考.     

基于数值模拟的V形管压电泵优化设计

分析了V形管内的流动损失,并初步优化V形管无阀压电泵结构,利用CFD软件对改进前后的V形管内流场进行了数值模拟,结果表明：直角汇流管口改为圆角后的V形管流阻系数有了明显提高.通过对比改进前后两种V形管流场速度矢量图,发现圆角V形管可抑制正向流动时管内回流和漩涡的发生,减小流动损失.对不同圆角半径的V形管内流场进行数值模拟,得到不同圆角半径V形流管的流阻系数,表明较大的圆角半径可有效地提高V形管流阻系数,即提高了V形管无阀压电泵的效率.此优化设计可为V形管压电泵的进一步改进提供思路.     

无阀压电泵流阻测试装置研究

无阀压电泵的泵送性能主要取决于管道系统中的正、反向流阻差值,因而对流阻的测试尤为重要。为此设计了能够实现自动或半自动上水功能的无阀压电泵流阻测试装置,该装置测试液体的流速范围较宽,易于分析、研究流阻作用规律;以半球缺阀为例推导了阻力系数公式;利用新、旧2种测试装置对半球缺阻流体无阀压电泵的流阻进行了测试并计算了泵理论流量,与试验流量的偏差分别为34.38%、117.33%。研究表明:无阀压电泵流阻测试装置极大地提高了流阻测试精度;能够进行流阻测试、分析、泵理论流量计算及试验流量的预测。     

无阀压电泵半球缺阻流体横向排列流阻干扰特性研究

为分析阻流体无阀压电泵用半球缺横向排列的流阻特性及对泵输出性能的影响,对泵腔内多个半球缺横向排列的流阻作用规律进行了研究。基于单个半球缺绕流阻力的研究成果,在分析横向排列半球缺的影响因素基础上,通过试验得出了两个半球缺横向排列流阻干扰系数及绕流阻力系数的作用规律;进而推导了多个半球缺横向流阻干扰系数及绕流阻力系数的理论计算;通过对4个横向排列半球缺的流阻及泵流量试验,验证了该理论推导用于分析、预测半球缺阻流体无阀压电泵流阻特性和理论流量的可行性。在驱动电压为120 V、驱动频率为6 Hz时,得到了44.78 mL/min的泵流量,理论和试验流量的平均偏差为39.34%。     

无阀压电泵用平面锥管内部流动特性

为了研究锥管的流阻特性,采用数值模拟的方法对最小截面宽度为150μm,高度为150μm的平面锥管进行分析,得到雷诺数在100～2 000范围内,收缩方向流阻系数与扩散方向流阻系数的比值λ随锥角θ及流管长宽比l/w变化的规律.结果表明：流管锥角越小,θ及l/w对λ值的影响越大,且流管的流阻特性随θ和l/w的变化发生了转换;在Re=100与Re≥500两种工况下,流管扩散方向流阻系数ξd随θ及l/w的变化趋势相反;Re=100时,流管多呈沿扩散方向流阻较小的Ⅰ类流管特性,θ=20°,l/w=20的流管的λ值最大达到1.22;Re≥500时,流管多呈沿收缩方向流阻较小的Ⅱ类流管特性,θ=20°,l/w=1的流管的λ值最小达到0.63.说明不同雷诺数流动下流管的流阻特性相差较大,不同工况下可通过选用合适的流管结构参数提高无阀压电泵的工作效率.     

单振子双腔体V形管无阀压电泵的流场分析

为了提高泵送流量,获得连续、低脉动的输出特性,设计了一种单振子双腔体V形管无阀压电泵,并建立其几何模型,对其工作原理进行了简要介绍,采用Fluent软件的动网格模型对其内部流动进行数值分析．对压电泵内部流场进行动态模拟,得到不同时期压电泵内部的压力、速度及瞬时流量等动态特征,将双晶片压电振子的动态特征和流体的运动特征有机地结合在一起,结果与压电泵的工作原理相吻合,验证了动网格模型应用于压电泵数值模拟计算的可行性．通过大量的数值模拟研究了驱动频率、压电振子振幅、泵腔高度和V形管位置对单振子双腔体V形管无阀压电泵输出性能的影响．模拟结果表明：驱动频率为250Hz时单振子双腔体V形管无阀压电泵的出口流量最大;压电振子振幅越大,出口流量越大;合理选择一组振幅值、泵腔高度和管道位置,便可得到压电泵的最优输出性能．     

不同激励信号驱动下压电泵的输出性能

为了研究不同的激励信号驱动下无阀压电泵的输出性能,以锥形流管无阀压电泵为研究对象,根据激励信号的数学表达式理论分析了常见的正弦波、方波和三角波等信号激励下的压电振子振动特性,并以去离子水为传输介质,试验研究不同信号激励下的压电泵的液体传输特性和压电振子的振动特性.试验结果表明:锥形流管无阀压电泵在3种不同激励信号下,随着驱动频率的增大,其流量均呈现先增大后减小的变化趋势;当驱动电压为单峰100 V,频率9 Hz时,方波信号驱动产生的泵流量最大,为1.86 g/min;三角波信号驱动产生的泵流量最小,为1.29 g/min.并且,方波激励下的压电振子振幅最大,为64.82μm;三角波激励下的振子振幅最小,为52.29μm.同时,由泵流量与压电振子振幅曲线可知,振幅并非影响压电泵输出流量的唯一因素.综合对比可发现,方波信号驱动下的压电泵输出性能最强,但振动噪声较大,影响使用.     

超短竖井式进/出水口的水力控制

弯道后的水流调整不好,可导致进/出口存在严重偏流和水头损失增大.为了保证竖井式进/出水口的配水均匀性和水力稳定,采用三维RNG k-ε紊流模型,对某抽水蓄能电站上水库盖板竖井式进/出水口进行了数值模拟,并进行了模型试验验证.重点对比研究了竖井扩散段采用椭圆曲线与渐扩锥管两种形式在抽水工况出流时的流动特性.计算结果显示,渐扩锥管的配水均匀性和稳定性均好于椭圆曲线扩散管的.对比分析了弯道后渐扩锥管扩散角分别为4.3°,5°和7°时的配水均匀性,计算结果显示竖井式进/出水口应尽可能控制扩散段的扩散角,防止出现偏流;在弯管段后的扩散段的扩散角宜小于4.5°.采用物理模型对推荐体型进行了验证,模型试验显示按照推荐体型设计的进/出水口配水均匀,双机抽水工况下总水头损失系数为0.48;双机发电工况下,总水头损失系数为0.33.     

基于CFD的空间导叶内部流场分析及优化设计

针对空间导叶传统设计方法的不足,以离心泵的空间导叶为研究对象,采用设计工况下泵的扬程和效率提升为优化目标,在保证叶片进口安放角、出口安放角、导叶轴面等设计参数不变的前提下,通过CFD数值模拟计算不同包角的空间导叶叶型与泵的水力效率之间的关系,从而寻找效率最优的导叶叶型.计算结果表明:空间导叶的叶片包角对泵的内流场结构和泵的外特性有重要影响,在其他流道参数不变的情况下, 存在使泵效率最高的最优包角;随着导叶叶片包角的增大,叶片工作面上的高压区域逐步由进口向出口移动,叶片由“前载型”逐步变为“后载型”;小包角时,由于叶片前部分的叶片安放角变化较大,在叶片背面的中部到后部的部分区域存在低速脱流区,且随着叶片包角的增大该脱流区面积逐渐减小并逐渐向出口方向移动;随着叶片包角的增大,叶片进口堵塞现象加重,导叶进口速度逐渐增大.揭示了空间导叶流动结构与导叶包角、型线间的内在关系,为空间导叶的优化及设计提供一定的理论依据.     

液气射流泵扩散管内部流动试验研究

采用压力传感器对扩散管壁面压力进行了测量,获得不同工作水压力和不同气液体积流量比时的扩散管增压情况.结果表明:在给定试验尺寸的有机玻璃制作的液气射流泵扩散管中,壁面压力上升的增量范围为2~5 kPa,且存在压力下降然后再上升的现象,因此,对于垂直安装的液气射流泵,需要考虑其尺寸高度产生的静压对扩散管内部流动的影响;扩散管内部流动对液气射流泵的射流混合性能影响较大,其中液气两相混合在喉管内的初始断面位置的变化对扩散管角度的设计有较大影响.采用PIV装置对扩散管内部液相流速分布进行了试验测量,获得2种气液比情况下扩散管轴线速度和断面速度分布,结果表明:轴线速度衰减约20%;扩散管的断面速度分布不均匀,在气液比较小时,出现流动偏向一侧的情况.该扩散管内部流动的研究结果可为液气射流泵应用于曝气、气体吸收等领域提供一定的理论基础.     

特殊无活动部件阀压电泵机理分析与数值模拟

介绍了一种特殊无活动部件阀,采用数值模拟的方法计算得到其不同进口流速下的扩张效率,结果表明：特殊无活动部件阀的效率明显高于扩散阀,采用动网格模型对压电泵内流场进行网格划分,并根据压电泵膜的运动方式进行了用户自定义函数（UDF）编程,将程序调入FLUENT软件,进行固一液耦合模拟计算,给出了压电泵膜在不同振动模态下该特殊无活动部件阀压电泵内的流场特征,证明了泵膜在一阶振动模态附近压电泵有较好的流动性．认为这种动网格模型应用于压电泵的数值模拟计算是正确可行的．