压电泵的流固耦合仿真分析及试验研究

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1、压电泵的流固耦合仿真分析及试验研究Structural-FluidCouplingSimulationandExperimentalResearchonPiezoelectricPump作者姓名：胥锋专业名称：机械设计及理论指导教师：曾平教授学位类别：工学硕士答辩日期：2015年5月31日本文由国家自然科学基金《压电流体惯性驱动器的基础理论与关键技术研究》项目编号（51205369）教育部高等学校科技创新工程重大项目培育资金项目《驱动测试控制功能一体化新型压电驱动机构的研究》项目编号(708028)提供资助摘要压电泵的流固耦合仿真分析及试验

2、研究压电泵是利用压电陶瓷的逆压电效应，通过改变泵腔容积而实现对流体定向输送的一种新型流体驱动装置，具有结构简单、能耗低、体积微小、不受电磁干扰等优点。压电泵可通过施加一定电压幅值和频率的驱动信号，实现对输出流量的精密控制，在航空航天、生物医疗、微型机械、汽车等领域具有广阔的应用前景。目前，国内外对压电泵的驱动元件压电振子与流体在耦合状态下相互作用的系统分析比较少，因此本文提出利用结构分析软件ANSYS和流体分析软件ANSYSCFX对无阀压电泵进行流固耦合仿真分析，研究在流固耦合作用下压电泵内流体的流动形态和流速分布情况，为进一步提高压电泵的

3、输出性能奠定理论基础。主要研究内容如下：1.压电泵的研究现状分析对压电泵的研究现状及其应用领域进行了分析，并结合国内外关于压电泵的仿真分析现状，基于结构分析软件ANSYS和流体分析软件ANSYSCFX，提出对无阀压电泵进行流固耦合仿真分析，既可以求解在电场作用下因压电振子变形而引起的流场变化，又可以求解变形后的流场对压电振子所传递的反作用力使整个压电振子所产生的变形量，综合考虑了流体特性和振子的结构特性，分析了压电振子与流体相互耦合作用的整个过程，在有效节约分析时间和成本的同时还能保证仿真结果更接近于压电泵工作时的真实流量规律，能够更准确地

4、预测压电泵的输出特性。2.压电基础理论与流固耦合基础理论分析根据压电学基础知识，本文设计制作的压电泵其驱动元件选用锆钛酸铅压电陶瓷(PZT)，压电振子的振动模式采用电场垂直于电轴方向的长度伸缩模式，压电振子的支撑方式为简支支撑。建立了圆形双晶片压电振子的动力学模型，从工作原理和数学理论两个方面分析其自感知特性，推导出压电振子执行元件的驱动电压与传感元件的感知电压之间的关系式。通过研究流固耦合的相关理论知识，选用分离解法来求解本文中关于无阀压电泵的双向流固耦合问题，求解器选用ANSYS提供的MFX-multiplecode多场求解器，并对其所

5、拥有的两种数据传递插值方式进行了对比分析，最终选取conservative插值方式来实现压电振子与流体区域耦合面之间数据的精确传递。3.进/出水口分布位置不同的三种无阀压电泵的流固耦合仿真分析为了研究压电泵进/出水口分布位置不同对其输出性能所产生的影响，针对进口在中间出口在一侧、出口在中间进口在一侧、进出口对称布置这三种形式的无阀压电泵的结构特点和工作原理进行了分析。利用ANSYS软件建立了压电泵的核心动力元件压电振子及流体区域的三维几何模型，对压电振子进行了静力学分析、模态分析、谐响应分析等一系列有限元仿真分析，并依据流体实际的工作条件，

6、在流体分析软件CFXI中设定了其相应的模拟类型、边界条件以及初始条件等属性。在此基础上，对进口在中间出口在一侧、出口在中间进口在一侧、进出口对称布置这三种形式的无阀压电泵进行了流固耦合仿真分析，仿真结果显示：出口在中间的压电泵相比于另外两种压电泵来说其宏观输出流量最大。4.进/出水口分布位置不同的三种压电泵的试验分析分别设计制作了进口在中间出口在一侧、出口在中间进口在一侧、进出口对称布置三种形式的无阀压电泵和有阀压电泵的试验样机，并搭建了试验测试平台，对其流量特性进行了测试，试验结果显示：在电压幅值为45V的正弦交流信号激励下，进口在中间、

7、出口在中间、进出口对称布置三种形式的无阀压电泵的出水频率带宽均为0到13Hz，而且频率范围为0到10Hz时，三种形式压电泵的输出流量均随着驱动频率的增加而增加，在10Hz频率点时输出流量均达到最大，分别为3.8ml/min、6.0ml/min和4.0ml/min；10Hz以后，三种形式压电泵的输出流量均随驱动频率的降低而降低，并最终均减小至零。在整个泵水过程中，出口在中间的压电泵其输出流量最大，工作性能最好，与流固耦合仿真分析的结果相吻合。对于进口在中间、出口在中间、进出口对称布置的三种形式的有阀压电泵，在45V正弦交流电压激励作用下，当驱

8、动电源频率在0到10Hz范围内时，其输出流量均随驱动频率的增大而增大，10Hz以后，输出流量均随驱动频率的增大而减小，最大流量出现在10Hz频率点左右，分别为37.0ml/min