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基于合成射流原理的涡轮直喷式压电气泵的仿真分析与实验研究

基于合成射流原理的涡轮直喷式压电气泵的仿真分析与实验研究

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作者：汤华杰吉林大学

学位级别：硕士

基于合成射流原理制作出的合成射流压电气泵是压电微泵当中的一种,具备体积小、结构简易、输出较高能量密度等传统泵所不具备的特点,可以应用于微器件散热、流体输运以及流体健康检测等领域。本文提出了一种基于合成射流原理的涡轮直喷... 详细信息

基于合成射流原理制作出的合成射流压电气泵是压电微泵当中的一种,具备体积小、结构简易、输出较高能量密度等传统泵所不具备的特点,可以应用于微器件散热、流体输运以及流体健康检测等领域。本文提出了一种基于合成射流原理的涡轮直喷式压电气泵,压电气泵的激励器由普通圆形压电振子与中心带孔压电振子组成,对两种振子施以相位相差180度的正弦激励,并对两种振子进行仿真模拟及实验研究,发现两种振子在4.2KHz附近时的振幅在相反方向同时达到最大,此时泵腔体积变化最大,泵送气体流量更大,两种振子达到最佳的换能状态,最终选择该激励频率作为实验参考频率。流道结构采用涡轮直喷式形状,在不增大进气阻力的情况下有效增大气体往进口流向的阻力,使气体更多地汇聚于空腔中,间接提高压电气泵的气体泵出流量。将压电振子三维模型导入到CAE有限元软件中进行仿真,根据仿真结果选取一阶振型为振子的最佳振型,激光测微仪测出振子最大振幅时的激励为仿真时的施力大小提供指导意义,阻抗分析仪测出的谐振频率为4.23KHz。介绍压电气泵的工作原理,分析此结构的特征参数,判断是否能形成合成射流。利用COMSOL软件对压电气泵进行流固耦合仿真分析,对不同时刻的流场和流速进行分析,依据合成射流理论分析气流运动的情况。对出气口锥形结构进行仿真分析,研究涡轮直喷式结构对压电气泵输出流量的影响。对影响气流量的四个主要参数进行仿真对比分析,得出最优的结构参数,对应压电气泵的最大流量为2140.3ml/min。设计并制造出压电气泵样机,探究对压电气泵流量起重大作用的影响因素,对影响压电气泵输出性能的相关参数设计实验步骤,并对实验结果进行定性理论分析。以控制单一变量的方式将泵腔高度由0.1mm增加到0.5mm,依次增加0.1mm;出气口直径大小由0.8mm增加到1.2mm,依次增加0.1mm;振子中心孔径大小由0.6mm增大到1mm,依次增加0.1mm;挡块的厚度由0.4mm增大到0.8mm,依次增大0.1mm,对各参数进行相关实验并将实验数据进行对比分析得出实际样机的最佳尺寸为泵腔高0.2mm,出气孔直径1mm,振子孔径0.9mm,挡块厚度0.5mm,对应压电气泵的最大流量为1761.8ml/min,实验中气体流量随参数增大时的变化趋势与仿真模拟结果基本一致。

关键词：合成射流压电气泵流固耦合涡轮直喷

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