基于超声谐振压电气泵的数值模拟分析与实验研究
作者单位:吉林大学
学位级别:硕士
导师姓名:刘国君
授予年度:2024年
学科分类:080704[工学-流体机械及工程] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理]
摘 要:随着科技的飞速发展,可穿戴装备市场呈现出爆发式的增长态势,在此背景下,气体动力源作为保证电子设备正常运转的关键组件,其性能的提升与结构的创新变得尤为关键。压电气泵以其结构原理简单、易小型化、输出性能优良等特点,正在成为气体动力源领域的研究热点。然而,目前市面上的压电气泵普遍受到结构与工作频率的限制,难以满足可穿戴装备对于微型化、无噪声和高性能的多重需求。因此,开发新型压电气泵成为了当前研究的迫切任务。本文基于超声谐振原理,创新性地设计了一种带有驱动器变形腔的新型超声压电气泵。这种设计旨在通过优化压电气泵结构,实现其在微型化的同时,仍能保持较高的输出性能,并达到静音运行的效果。具体研究内容如下: (1)对压电材料特性与分类进行分析,并解析压电陶瓷的四类振动模态;系统阐述了压电驱动器的超声谐振工作特性与驱动信号选择,并通过数值解析法对其振动特征进行了深入探究;阐述了止逆阀的分类及其工作特性,通过综合对比,本文选取了错位孔止逆阀作为压电气泵的止逆阀。 (2)对压电气泵各模块进行了系统性结构设计,深入探究其工作原理,并运用数值解析法分析了工作流程与理论输出性能,揭示了不同部件结构尺寸对压电气泵性能的影响规律;利用COMSOL仿真软件对关键模块进行模态分析与流固耦合分析,明晰了各个因素对压电气泵输出性能的影响,为后续实验优化方向提供了理论指导。 (3)通过实验优化压电气泵的重要尺寸参数;分别对各个零部件加工、装配以获得实验样机;进行综合性能测试,根据曲线趋势具体分析样机的实际输出性能。 (4)实验结果表明,压电气泵在二阶谐振频率工作时其输出性能达到最佳,此时驱动信号频率为20260 HZ,在此工作频率下,压电气泵的输出流量与输出压力与驱动信号电压正相关,基本呈线性关系。在40 Vpp,20260 Hz驱动信号下,压电气泵的输出流量与输出压力分别达到783 ml/min和8.7 k Pa。验证了新型超声压电气泵结构的合理性和设计的可行性。