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.     

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.     

无阀压电泵用椭圆组合管正交优化设计与试验

为了提高无阀压电泵中流管的流阻特性,提出一种新型椭圆组合管结构。该流管为三通结构,汇流管是传统扩散/收缩管,分流管是椭圆曲线结构的扩散/收缩管。通过数值模拟,应用正交方法优化椭圆组合管的结构参数。设计选用的汇流管最小宽度d=150μm,流管深度H=150μm,优化结果表明当进出口压差为50kPa时,结构尺寸为r=75μm,L=3000μm,θ=7°,γ=80°,a=1000μm,b=450μm的椭圆组合管有最高的正反向流阻系数比λ。通过MEMS技术制作出优化后的椭圆组合管并进行试验,并与数值模拟结果对比。结果表明：试验值小于模拟值,压差在10～100kPa范围内,正向流量试验值与模拟值最大相差12.6%,反向流量两者最大相差5.3%;压差为50kPa时,两者的λ值分别为1.83和1.97,相差7.65%。     

双腔体四振子压电泵设计及试验

为提高压电泵的输出流量和输出压力,增强自吸性能,采用四片压电振子构建两个工作腔体的新型压电泵结构,即双腔四振子压电泵.在对该新型压电泵进行结构设计的基础上,分析了其工作原理和工作特性,给出了输出流量和输出压力的计算方法,并加工制造了四振子压电泵样机.对四振子压电泵在单腔体双振子、双腔双振子和双腔四振子工作方式下进行了试验对比,结果表明,采用腔体串联能够提高压电泵的输出流量和输出压力,双腔四振子压电泵在驱动电压为150 V AC,频率为120 Hz时,最大输出流量为1160 mL/min,而双腔双振子最大输出流量为650 mL/min（138 Hz）,单腔双振子最大输出流量为250 mL/min（160 Hz）;双腔四振子压电泵自吸高度可达到55 cm.     

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.     

单振子气体压电泵研究

对单振子压电驱动微型气泵进行了结构设计,并对其主要构件单向阀进行了动力学建模与仿真分析,在此基础上制作了微型气泵样机,并进行了测试实验。设计的单振子压电气泵以中间开孔的压电双晶片为动力源,利用粘结在压电片孔上的单向阀来截止流体。泵的进、出口在压电片的两侧,以压电振子的振动动能直接驱动单向阀产生与泵腔容积变化相应的打开/关闭动作,与传统的进、出口在同侧、仅依靠单向阀两侧的压差驱动单向阀工作的压电气泵相比流阻小,且具有很好的单向截止性,并提高了气体输出流量和单向截止阀响应频率。实验证明当驱动电压为40 V、频率为1 000 Hz时,输出流量可达到720 mL/min。     

基于附壁效应的无阀压电泵研究

提出一种基于附壁效应的无阀压电泵,该泵利用附壁射流元件造成吸入过程和排出过程中进出口的流量差,实现流体输送。首先通过动网格技术及数值模拟研究微泵的内部流场和外特性,结果表明该无阀压电泵的容积效率η可以达到0.5以上,高于传统扩散/收缩管无阀压电泵。然后讨论了平面锥管长度和两分流直管间凹劈面宽度对微泵性能的影响,平面锥管长度L1必须大于dcot(θ/2),当c2/c1=1时L1/d=9的微泵在零输出压力下流量最大;不同输出压力和c2/c1的微泵流量对比表明凹劈面宽度越宽微泵输出压力性能越佳,但是在低输出压力下微泵随着凹劈面宽度的增加其容积效率降低。最后应用响应面方法对平面锥管长度和凹劈面宽度进行优化,结果表明当输出压力为5 k Pa时,最优的参数选取范围为4≤L1/d≤5,0.75≤c2/c1≤0.85,当L1/d=4.3,c2/c1=0.80时η达到最大,为0.323。其数值模拟为0.317,相差1.89%。     

半球缺无阀压电泵泵送性能优化分析

半球缺的排列方式、数量及间距直接影响半球缺无阀泵的泵送性能。通过对泵理论流量的推导,揭示了半球缺无阀泵具有泵送流体性能的机理;通过对纵向及横向排列半球缺数量及间距的变化对流场及仿真流量影响的研究,发现半球缺排列方式、间距及数量的改变其实质是改变了半球缺的反正向流阻差这一重要现象;探明了减小横向间距、适当增加纵向间距及适当间距范围内增加半球缺的数量均能提高泵流量的重要规律;最后,通过泵流量试验验证了仿真结论的正确性:以安装有4个纵向及横向等间距10 mm排列半球缺的泵进行试验,分别得到了48.29 m L/min、50.29 m L/min的试验流量,与仿真流量的偏差分别为34.6%、34.0%,进一步验证了相同条件下增加横向排列半球缺数量能获得更好的泵送效果。     

单腔单振子压电泵流量自测量方法研究

为满足压电泵系统流体精确控制及小型化的需要,提出利用压电自感知及神经网络技术的单腔单振子压电泵流量自测量方法。压电泵结构上采用双压电晶片振子同时作为执行元件与传感元件使用。首先分析了流量影响因素,并分析了传感压电片输出信号与振子变形关系。得出:压电泵流量与振子振动状态存在函数关系,振子的振动状态可由传感压电信号实时反映,因此在信号中隐含着压电泵流量信息。据此制作了传感压电信号参数测量电路样机,将参数测量结果作为神经网络输入,建立了用于压电泵流量预测的BP神经网络模型。实验结果表明:利用该方法得到的预测值与实验测量值之间相关系数在0.999 3以上,最大相对误差率小于3.46%,预测结果与测量值接近。该流量自测量方法具有较好的准确性。     

单腔体气体压电泵设计

为制造输出性能良好的气体压电泵,设计了一种新型的伞形橡胶阀.分析了伞形橡胶阀的过流特性,并应用Ansys软件,对阀的工作性能进行仿真分析,确定了伞形橡胶阀的前10阶固有频率和阀工作失效时作用在阀两侧的临界压力值.仿真结果表明:在泵工作频率低于阀一阶固有频率时,且当作用在阀两侧的临界压力值大于0.8 kPa时,阀因为开启高度过大而不能恢复到关闭状态导致泵工作失效.并对泵用压电振子在泵送气体时进行了发热性能测试以及应用伞形橡胶阀所设计的单腔气体压电泵进行输送气体和液体试验,试验结果表明:在110 V正弦交流电压驱动下,驱动电压频率小于400 Hz时,振子的热平衡温度小于70℃;输送气体时,在最佳工作频率为380 Hz时,最大输出流量和压力分别为1 889 mL/min和5.1 kPa;输送液体时,在最佳工作频率为240 Hz时,最大输出流量和压力分别为300 mL/min和25.0 kPa.     

单腔体气体压电泵设计

为制造输出性能良好的气体压电泵,设计了一种新型的伞形橡胶阀．分析了伞形橡胶阀的过流特性,并应用Ansys软件,对阀的工作性能进行仿真分析,确定了伞形橡胶阀的前10阶固有频率和阀工作失效时作用在阀两侧的临界压力值．仿真结果表明:在泵工作频率低于阀一阶固有频率时,且当作用在阀两侧的临界压力值大于08 kPa时,阀因为开启高度过大而不能恢复到关闭状态导致泵工作失效．并对泵用压电振子在泵送气体时进行了发热性能测试以及应用伞形橡胶阀所设计的单腔气体压电泵进行输送气体和液体试验,试验结果表明:在110 V正弦交流电压驱动下,驱动电压频率小于400 Hz时,振子的热平衡温度小于70 ℃;输送气体时,在最佳工作频率为380 Hz时,最大输出流量和压力分别为1 889 mL／min和51 kPa;输送液体时,在最佳工作频率为240 Hz时,最大输出流量和压力分别为300 mL／min和250 kPa．     

旋流自吸泵气液分离室结构对性能影响的预测

针对旋流自吸泵的气液分离室是影响泵性能的重要因素.应用FLUENT软件,选用标准k-ε模型和多重参考坐标系模型,对旋流自吸泵内部三维不可压缩湍流定常流场进行了数值模拟,得到了气液分离室内部流场分布情况,并对其分布规律进行了分析.建立了性能预测模型,对不同分离室高度下的模型进行了性能预测,并将预测结果进行了对比研究.结果显示：分离室对泵基本性能影响较大,在小流量区分离室高度对效率影响很小.为了得到最好的综合性能,对于某一方案,分离室的高度存在一个最佳值.最佳值的选取可以通过CFD进行性能预测,根据对比结果进行估算.     

压电无阀微混合器的数值模拟

设计了一种压电无阀微混合器,对微混合器的结构和工作原理进行了说明和分析,并对其进行了数值模拟.利用ANSYS软件对微混合器的驱动部件圆形复合压电振子进行了瞬态动力学分析,研究了压电振子中心平面上各点在正弦交变电压驱动下的振动位移随各点半径、驱动电压的变化规律,发现各点位移呈正弦变化规律,各点振幅随半径的增大而减小,随驱动电压的增大而增大.根据压电振子各点位移变化规律拟合得到了压电振子运动位移方程,并根据位移方程编写了UDF程序,经编译后将UDF程序调入到Fluent软件中,以此作为设定压电振子的运动边界条件,采用动网格模型对微混合器进行了动态数值模拟,得到了压电无阀微混合器的流量及微混合器不同时刻的微混合器腔内的混合情况.结果表明：设计的压电无阀微混合器不仅能实现流体泵送,也可以在较短的时间内实现流体间的均匀混合.     

自吸泵内部流场的数值模拟及性能预测

基于雷诺时均Navier-Stokes方程和标准k-ε湍流模型,应用三维无结构四面体网格及SIMPLEC算法建立自吸泵内部流场的数值模型,利用计算流体力学软件Fluent对设计工况及多个非设计工况下自吸喷灌泵叶轮和蜗壳的三维不可压缩湍流流场进行了数值模拟,得到其内部流场的速度分布和压力分布情况,揭示了泵自吸过程中流体的运动规律,最后预估该泵的扬程及效率并与试验值进行对比分析.结果表明,在相同半径处,叶片工作面压力比背面压力大;在回流孔处存在较大的压力梯度和速度梯度,并且由于分离室边壁的影响形成了大小不同的旋涡;数值模拟性能曲线与试验曲线基本一致.     

离心泵全流场与非全流场数值计算

为研究不同计算域对离心泵数值计算结果的影响,采用虚拟分块网格划分技术和标准k-ε湍流模型,对5台不同比转数离心泵设计工况下的内部流动进行了三维定常全流场与非全流场数值模拟.基于全流场和非全流场数值计算结果分别进行了性能预测和内流场特征分析,并将性能预测结果与试验结果进行了对比分析.结果表明：不同计算域对数值计算结果影响显著;全流场数值模拟性能预测精度高于非全流场数值模拟,扬程预测精度平均高1.54%,效率预测精度平均高1.67%;流场分析发现两种计算方法得到叶轮内的静压分布基本一致,而蜗壳内静压分布存在着明显差异;全流场数值计算得到的叶轮与蜗壳的间隙速度分布呈现层状分布,而非全流场数值计算得到的结果呈三角形分布;由于全流场计算区域考虑叶轮进口口环、前后盖板间隙流的影响,其数值计算得到的蜗壳断面内二次流分布并不完全对称.     

多喷嘴射流泵流场的数值模拟与PIV测量

为研究多喷嘴射流泵性能和内部流场特征,设计了不同结构的多喷嘴射流泵试验模型.采用k-ε湍流模型和壁面函数法对不同参数下的多喷嘴射流泵进行了数值模拟,模拟结果表明,喷嘴数和喷嘴角度及喉嘴距对射流泵工作性能影响较大;在吸入室及喉管入口处湍动能较大.利用PIV系统对不同结构射流泵内部流场进行了三维测量,获得了射流泵对称面流场的速度矢量和湍动能等值线图.试验结果表明,其速度梯度衰减得愈快,工作流体和被吸流体混合距离越短.验证了多喷嘴射流泵可缩短喉管长度.测量结果证明数值模拟的正确性,为多喷嘴射流泵理论研究和合理设计提供了理论依据.     

基于CFD的全金属单螺杆泵非稳态流场计算及性能预测

为了得到螺杆泵内非稳态流场特性及间隙泄漏规律,采用CFD的动网格技术,针对油田使用的全金属单螺杆泵进行三维瞬态流场数值模拟,在此基础上预测计算了不同转速、压头和流体黏度条件下螺杆泵的流量、功率及总效率并与试验结果进行了对比.结果显示,螺杆泵在运行中具有显著的非稳态特性,在1个旋转周期内,流量出现的脉动次数与螺杆泵定子转子导程的比值相一致,高压头工况下的泄漏量和流量值的脉动幅度明显大于低压头工况下的情况;在计算高压头螺杆泵输入功率时,机械及容积损失不应忽略.基于CFD的性能预测和实测数据的趋势较为一致,误差在工程允许范围内,表明采用的模拟计算方法是切实可行的.     

SXB型消防用多级泵全流场CFD数值模拟

基于Reynolds时均N-S方程,采用标准k-ε湍流模型,压力速度耦合使用SIMPLEC计算,对SXB型消防用多级泵进行三维定常全流场湍流数值模拟,得到该泵的速度矢量图、静压图、湍动能分布图等,并对其内部流动规律进行定性分析.分析结果表明首级叶轮-导叶、次级叶轮-蜗壳中间轴向截面的速度场分布均匀,导叶与蜗壳起到很好的整流作用;首级叶轮-导叶、次级叶轮-蜗壳中间轴向截面的压力场分布均匀,叶片上压力分布非常规则,仅在首级叶轮与导叶的间隙区存在具有对称性的局部高压区;首级叶轮-导叶区湍动能分布较为规则,而次级叶轮-蜗壳区域的湍动能在沿叶轮旋转方向靠近隔舌的区域分布紊乱,在远离隔舌区湍动能较小,隔舌区湍流损失大.模拟结果显示出了泵内能量损失严重的区域,可为改进泵设计提供参考.