单振子双腔体V形管无阀压电泵的流场分析Word格式.docx
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HeXiuhua,LiFu,BiYushi,DengZhidan,WangJian
（SchoolofEnergyandPowerEngineering,JiangsuUniversity,Zhenjiang,Jiangsu212013,China）
Abstract:
AkindofV—shapevalve—lesspiezoelectricpumpwithsingleoscillator—dualchamberwasde-
signedanditsgeometricmodelwascreated.Itsinternalflowswerenumericallyanalyzedbythedynamic
meshmodelinFluent.Theunsteadyflowfieldinthepiezoelectricpumpwassimulatedandthepump
unsteadycharacteristics,suchasinstantaneouspressure,velocityandflowrateindifferentperiodsof
time.wereobtained.Ifthedynamiccharacteristicsofthetwo—chippiezoelectricvibratorwaseffectively
combinedwiththefluiddynamics,theestimatedpumpperformancewouldagreewiththetheoretical
characteristicsofvalve?
lesspiezoelectricpumps,itissuggestedthatthedynamicmeshmodelisfeasi—
bleinthenumericalsimulationsofflowinsuchapump.Theeffectsofdrivingfrequency,amplitudeof
thepiezoelectricvibrator,pumpchamberheightandlocationoftheV—tubeonthepumpoutputper-
formancewerestudiedbymeansofconsiderablenumericalsimulations.Thesimulationresultsshow
thatthemaximumoutletflowisobtainedatthedrivingfrequencyof250Hz.Moreover,thegreaterthe
amplitudeofthepiezoelectricvibrator,thehighertheoutletflow.Whenasetofamplitude,pump
chamberheightandV—tubelocationaredeterminedreasonably,theoutputofapiezoelectricpumpcan
getthebestperformance.
Keywords:
piezoelectricpump;
flowfield;
outputperformance;
numericalsimulation;
feasibility
收稿日期:
2011—11—18
基金项目:
江苏高校优势学科建设工程项目;
江苏大学高级专业人才科研启动基金资助项目（11JDG091）
作者简介:
何秀华（1961一）,女,四川成都人,副教授（zddeng@）,主要从事流体机械内部流动及性能的研究.
李富（1987～）,男,山东济宁人,硕士研究生（shuifeng09@163.con）,主要从事流体机械内部流动及性能的研究
压电振子振幅为15m,频率为100Hz.
采用Fluent软件的动网格模型对单振子双腔体
V形管无阀压电泵进行三维数值模拟.利用动网格模
型对双晶片压电振子施加正弦规律变化的壁面运动
边界条件,进出口的边界条件设为压力进口和压力出
口,相对压力均设为0;
固壁满足无滑移边界条件;
因
压电泵的体积较小,近壁区对流场的作用较强,故采
用低雷诺数湍流模型….
3.2计算结果分析
在下腔体供给过程中,上,下腔体的压力分布如
图2a所示.下腔体吸人时,其内部的压力小于外界
压力,腔体从进,出口吸水;
上腔体内部的压力大于
外界压力,腔体从进,出口排水.而在下腔体泵送过
程中,上,下腔体的压力分布如图2b所示,与供给过
程相反,下腔体内压力大于外界压力,腔体从进,出
口排水;
上腔体内压力小于外界压力,腔体从进,出
口吸水.
上,下两腔体的工作过程刚好相反,这种规律恰
好符合单振子双腔体压电泵的工作原理,两个腔体
交叉工作,循环输出,实现了连续低脉动输出.
●
下腔体
（a）供给过程
上腔体
下腔体上腔体
（b）泵送过程
图2下腔体供给和泵送过程上,下腔体压力分布
Fig.2Pressuredistributioninsuctionanddischargechambers
在下腔体供给过程中,上,下腔体速度分布如图
3a所示.下腔体由于泵腔内压力小于外界压力,流
体在压差的驱动下经进,出口流入泵腔,进口管内流
体的速度大于出口管内的速度;
上腔体刚好相反,流
体在压差的驱动下经进,出口流出泵腔,进口管内流
体的速度小于出口管内的速度.而在下腔体泵送过
程中,上,下腔体的速度分布如图3b所示,同供给过
程相反.对于下腔体,吸人时进口的速度大于出口的
速度,排出时进口速度小于出口速度,从而保证了下
腔体的流体从进口流入,由出口流出,实现泵送功能
置下腔体
上腔体下腔体
图3下腔体供给和泵送过程上,下腔体速度分布
Fig.3Velocitydistributioninsuctionanddischargechambers
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的目的.上腔体同理.
对流量曲线的正负号进行定义:
流入泵腔内
的瞬时流量为正,流出泵腔的流量为负.图4为单
振子双腔体V形管无阀压电泵一个周期内进,出
口的瞬时流量.以下腔体的瞬时流量曲线为例予
以说明,由图中可以看出:
在0S&
lt;
t&
0.0025S和
0.0075S&
0.010S半个周期内,流体进入泵
腔,进出口流量均为正,进口流人的流量大于出口
流人的流量;
在0.0025s&
0.0075S半个周期
内,流体从泵腔排出,进出口流量均为负,出口排
出的流量大于进口排出的流量.上腔体的流动过
程与下腔体相反.
图4一个周期内上,下腔体进出口瞬时流量曲线
Fig.4Velocitydistributioninsuctionanddischargechambers
综上所述,在整个压电泵输送的过程中,总体上
是保持单向输人输出的.这一模拟结果与压电泵的
工作原理相一致.
4压电泵内部流场的特性分析
由于压电泵的尺寸较小,不同参数及结构尺寸
都会对压电泵的输出性能产生影响,因而针对驱动
频率.厂,振幅A,泵腔高度和管道高度对压电泵流量
的影响进行分析.图5给出了在压电振子振幅为
15m,泵腔高度均为200Ixm时,驱动频率对压电
泵流量的影响曲线.可以看出:
压电泵上,下两个腔
体的流量趋势基本一致;
当频率小于250Hz时,流
量随着频率的增大而增大,当频率大于250Hz时,
流量随着频率的增大而减小,即压电泵在频率约为
250Hz时流量取得最大值.这是因为随着频率的增
大,压电振子的驱动能力也相应增大,使得压电泵腔
内的压强变化也相应加快,提高了泵送流量.但频率
增大到一定数值之后,由于惯性力的影响,泵腔内压
力的变化已经赶不上压电振子的位移变化,即压力
变化和压电振子位移变化不一致了,致使压电泵的
流量逐渐减小.
图5频率对流量的影响曲线
Fig.5Transientflowrateacrosssuctionanddischarge
chambersinoneperiodoftime
图6给出了压电振子在驱动频率为100Hz,泵
腔高度为200m时,振幅对压电泵流量的影响曲
线.可以看出:
压电泵上,下两腔流量曲线的趋势基
本一致;
流量随着振幅的增大而增大,这是由于压电
振子的振幅越大,泵腔的体积变化量越大,致使体积
流量也越大.需要注意的是,压电振子的振幅越大,
说明施加在压电振子上的电压也就越大,而压电振
子的强度随电压的增大而降低.因此,在增大电压,
提高流量的同时要综合考虑压电振子的强度与寿命
问题.
图6振幅对流量的影响曲线
Fig.6Influencecurvesofamplitudeonflow
模拟结果还显示在振幅为15Ixm时,泵腔高度
约为200m时流量取得最大值;
而在振幅为20m
时,泵腔高度约为240m时流量取得最大值.可
见,不同振幅下,压电泵取得最大流量时的泵腔高度
不同.因此,需要合理地选择压电振子振幅值和泵腔
高度,才能获得较优的输出性能.
在泵腔高度均为200m的工况下,振幅为
15时,管道高度约为130m时流量最大,而振
幅为20m时,管道高度约为140I.zm时流量最大,
这表明在相同的泵腔高度下,振幅不同时,流量取得
最大值的管道位置不同.在振幅均为15txrn的工况
下,泵腔高度为200ilm,管道高度约为130txm时流
量最大;
而泵腔高度为180m,管道高度约为140Ij~rn
（下转第166页）
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（责任编辑陈建华）
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（上接第156页）
时流量最大,这表明在相同振幅下,泵腔高度不同时,
流量取得最大值的管道位置也不同.这是压电振子变
形,泵腔结构,管道位置以及流体相互耦合的结果.
5结论
1）采用动网格模型对单振子双腔体V形管无
阀压电泵进行了数值模拟,得到了不同时期压电泵
内的压力和速度分布,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.
2）分析了不同参数及结构尺寸对单振子双腔
体V形管无阀压电泵输出性能的影响,表明驱动频
率为250Hz时出口流量最大;
压电振子振幅越大,
出口流量越大;
合理地选择一组振幅值,泵腔高度和
管道位置,压电泵便具有最优的输出性能.
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