無閥壓電泵用平面錐管流動(dòng)特性實(shí)驗(yàn)研究及數(shù)值分析.pdf

1、錐管流動(dòng)具有沿?cái)U(kuò)散方向與收縮方向流動(dòng)阻力系數(shù)不同的特性,從錐管結(jié)構(gòu)作為動(dòng)態(tài)被動(dòng)閥應(yīng)用于無閥微泵開始,錐管流動(dòng)的研究一直都受到人們的關(guān)注。由于錐管結(jié)構(gòu)尺寸及管內(nèi)流動(dòng)雷諾數(shù)的影響,存在擴(kuò)散方向流阻系數(shù)小于收縮方向流阻系數(shù)和擴(kuò)散方向流阻系數(shù)大于收縮方向流阻系數(shù)兩種流阻特性的錐管結(jié)構(gòu)。基于無閥壓電微泵內(nèi)部流動(dòng)雷諾數(shù)范圍,本文通過實(shí)驗(yàn)研究及數(shù)值分析的方法對(duì)平面錐管的流阻特性及兩種類型流管的流阻特性轉(zhuǎn)換規(guī)律進(jìn)行了研究。
　　 首先對(duì)平面錐管

2、的研究現(xiàn)狀進(jìn)行簡(jiǎn)要概述,并對(duì)平面錐管流動(dòng)進(jìn)行分析總結(jié),根據(jù)流阻特性將平面錐管分為兩類:Ⅰ類管和Ⅱ類管,分別對(duì)應(yīng)擴(kuò)散方向流阻較小和收縮方向流阻較小兩種流阻特性。分析并確定錐管的錐角,長(zhǎng)寬比及流動(dòng)雷諾數(shù)三個(gè)影響流管流阻特性的影響因素。建立平面錐管結(jié)構(gòu)模型,對(duì)流管分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究及數(shù)值分析,獲得一定壓差或流動(dòng)雷諾數(shù)工況下,平面錐管流阻特性隨流管尺寸的變化規(guī)律。
　　 設(shè)計(jì)制作了24片不同尺寸的平面錐管,并利用壓差法實(shí)驗(yàn)原理進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究

3、。調(diào)節(jié)流管進(jìn)口壓力,測(cè)量進(jìn)出口壓差在0.001MPa～0.1MPa范圍時(shí),流動(dòng)沿流管擴(kuò)散和收縮兩個(gè)方向流動(dòng)的流量。計(jì)算得到不同壓差工況下流管效率即收縮方向與擴(kuò)散方向流阻系數(shù)的比值的變化規(guī)律。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:隨進(jìn)出口壓差不同,兩種流阻特性流管的轉(zhuǎn)換尺寸不同,進(jìn)出口壓差為0.001MPa時(shí),流管多呈I類管流阻特性,隨著壓差的增大,管長(zhǎng)越短、錐角越大的流管越早轉(zhuǎn)換為Ⅱ類管流阻特性。壓差大于0.001MPa時(shí),錐角對(duì)流管效率的影響隨管長(zhǎng)增大而增大

4、,壓差大于0.001MPa后,流管效率受壓差的影響減弱。
　　 對(duì)平面錐管進(jìn)行數(shù)值模擬,獲得了雷諾數(shù)為100-2000范圍內(nèi)流管流阻特性隨尺寸的變化規(guī)律。計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果匹配,通過流管內(nèi)部流場(chǎng)分析可知雷諾數(shù)為100時(shí),流管擴(kuò)散方向流阻系數(shù)隨錐角增大而減小,隨長(zhǎng)寬比增大而增大,當(dāng)雷諾數(shù)超過500后情況相反。數(shù)值分析結(jié)果顯示,流動(dòng)雷諾數(shù)不同時(shí),流管的流阻特性差異較大,因此在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)合理設(shè)計(jì)流管尺寸。當(dāng)流管應(yīng)用工況Re≈1

5、00時(shí),宜選用呈Ⅰ類管流阻特性錐角約20°、長(zhǎng)寬比約為10的流管;當(dāng)Re≈500時(shí),宜選用呈Ⅱ類管流阻特性錐角約40°、長(zhǎng)寬比約為1的流管。當(dāng)雷諾數(shù)增大時(shí),宜適當(dāng)減小錐角。
　　 最后,建立帶有不同尺寸平面錐管的無閥壓電泵模型,運(yùn)用CFX動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)模擬壓電振子運(yùn)動(dòng),獲得了平面錐管無閥壓電泵在幅值為100V、頻率為100Hz的正弦電壓驅(qū)動(dòng)下的進(jìn)出口流量曲線。泵中應(yīng)用錐管的三種尺寸分別為錐角為5°、長(zhǎng)寬比為1和20,錐角為30°、長(zhǎng)