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非对称锥形管无阀压电泵的研究

作　者: 冯丽娜
导　师: 程光明
学　校: 浙江师范大学
专　业: 物理电子学
关键词: 非对称锥角无阀压电泵收缩管/扩张管仿真分析试验验证
分类号: TH38
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

压电泵是采用压电材料作为驱动元件的一种新型流体传送装置。它具有结构简单紧凑、易于微型化等特点,其应用遍及医疗护理、化学分析、生物工程、机器人、航空航天器以及各种微型机械领域。本文研究的锥形管无阀压电泵是采用一对收缩管／扩张管与压电振子共同作用实现流体单向输送的。这种压电泵没有可动阀体,结构更加简单,工作频率较高,特别适用于输送含有悬浮颗粒的混合物流体,这使得压电泵可以应用于一些特殊场合流体的输送。但是存在输出流量小,输出压力低的问题。本文在传统的锥形管无阀压电泵的基础上,提出了在泵腔两端配置不同角度锥形管的无阀压电泵,简称为非对称锥形管无阀压电泵,有效地提升了锥形管无阀压电泵的输出性能,为无阀压电泵的进一步研究与发展提供一些理论基础和试验依据。本文主要从以下几个方面进行了研究：1、分析了压电泵的主要驱动元件—圆形复合压电振子的工作原理与振动模式。通过对泵用圆形压电振子在各种驱动条件下进行变形测试,研究了压电振子在不同工况下的变形规律,为压电泵的设计、制作,以及试验中驱动信号的合理选择提供了依据。2、基于流体力学的基本原理,为了对锥形管无阀压电泵的工作机理进行研究,首先讨论了管中液体的流动特性,随后推导了无阀泵的流量及效率的计算方法。结论得出收缩管／扩张管流动阻力系数的比值是决定无阀压电泵输出性能的重要因素。由此提出了非对称锥形管无阀压电泵的设计思想。3、建立了非对称锥形管无阀压电泵的三维几何模型,在ICEM CFD软件中对其进行网格划分,利用ANSYS CFX流体仿真软件对锥形管无阀泵内流体的流动进行了动态模拟。经过仿真分析,得到了一个周期内锥形管无阀泵泵腔内流场压强的分布云图、速度矢量分布图以及收缩管与扩张管管口瞬时流量随时间的变化曲线。通过对不同结构参数的非对称锥形管无阀泵进行模拟仿真分析,获得了非对称锥形管的锥角比例、流管长度以及小端口尺寸等结构参数对非对称锥形管无阀压电泵输出性能的影响规律。4、根据试验方案设计并加工、制作了传统的锥形管无阀压电泵样机和非对称锥形管无阀压电泵样机。通过试验测试了不同结构参数下无阀压电泵的输出流量。分析试验测试结果,得出输出流量与不同结构参数之间的规律曲线。将试验结果进行对比分析,验证了非对称锥形管无阀压电泵设计思想的可行性。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-8
目录  8-11
1 绪论  11-20
  1.1 引言  11-12
  1.2 压电泵的研究现状  12-18
    1.2.1 国外研究现状  12-15
    1.2.2 国内研究现状  15-18
  1.3 本文研究的主要内容  18-20
2 圆形压电振子的振动特性分析  20-31
  2.1 压电材料及压电效应  20-23
    2.1.1 压电效应  20-21
    2.1.2 压电材料  21-23
  2.2 压电振子的振动分析  23-26
    2.2.1 压电材料的参数  23-24
    2.2.2 压电方程  24-25
    2.2.3 压电振子的振动模态  25-26
  2.3 圆形压电振子的测试研究  26-30
    2.3.1 试验设备  26-27
    2.3.2 不同波形驱动电压对压电振子变形量影响  27-28
    2.3.3 压电振子中心点振幅随频率的响应曲线  28-29
    2.3.4 压电振子径向切面变形曲线测试及泵腔体积变化量的计算  29-30
  2.4 本章小结  30-31
3 锥形管无阀压电泵的工作原理  31-41
  3.1 锥形管中流体的流动特性分析  31-36
    3.1.1 管中流体的层流与紊流  31-33
    3.1.2 管中流体的流动阻力  33-34
    3.1.3 锥形管中流体的流动分析  34-36
  3.2 锥形管无阀压电泵的工作机理  36-39
    3.2.1 无阀泵的工作过程  36-37
    3.2.2 无阀压电泵的流量及效率公式  37-38
    3.2.3 无阀压电泵的效率与锥角的关系  38-39
  3.3 非对称锥形管无阀压电泵的提出  39-40
  3.4 本章小结  40-41
4 非对称锥形管无阀压电泵的仿真分析  41-57
  4.1 ANSYS-CFX简介  41-42
    4.1.1 CFX的基本结构和功能  41-42
    4.1.2 CFX求解问题的步骤  42
  4.2 非对称锥形管无阀压电泵仿真模型的建立及网格划分  42-46
    4.2.1 几何模型的建立  43
    4.2.2 网格划分  43-46
  4.3 ANSYS CFX中锥形管无阀泵仿真模型的设定  46-48
    4.3.1 流体物理性质及模拟类型  46-47
    4.3.2 边界条件及初始条件的设定  47-48
    4.3.3 求解及输出控制  48
  4.4 非对称锥形管无阀压电泵的流场仿真分析  48-55
    4.4.1 锥形管无阀泵腔内压强、管口流速与瞬时流量的周期性变化  49-53
    4.4.2 不同锥角比例的无阀压电泵的仿真分析  53-54
    4.4.3 不同长度流管的无阀压电泵的仿真分析  54-55
    4.4.4 不同最小口径的无阀压电泵腔的仿真分析  55
  4.5 本章小结  55-57
5 非对称锥形管无阀压电泵的试验研究  57-69
  5.1 非对称锥形管无阀压电泵泵腔结构设计及试验设备  57-59
    5.1.1 非对称锥形管无阀压电泵结构设计  57-58
    5.1.2 试验设备  58-59
  5.2 试验测试  59-68
    5.2.1 锥角比例变化对无阀压电泵输出性能的影响  59-64
    5.2.2 锥形流管的长度变化对无阀泵输出性能的影响  64-67
    5.2.3 锥形流管小端口尺寸变化对无阀泵输出性能的影响  67-68
  5.3 本章小结  68-69
6 结论与展望  69-71
参考文献  71-75
攻读硕士学位期间取得的研究成果  75-76
致谢  76-78

非对称锥形管无阀压电泵的研究

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