doi:10.3969/j.issn.1674-8530.16.0168
葛振涛1, 纪晶1, 兰玉彬2, 胡笑奇3, 秦婷婷1, 胡彩旗1
(1.青岛农业大学机电工程学院, 山东 青岛 266109; 2.华南农业大学工程学院, 广东 广州 510642; 3.丽水学院工程与设计学院, 浙江 丽水 323000)
葛振涛
摘要：为了研究仿尾鳍式无阀压电泵的工作性能,探讨尾鳍对无阀压电泵泵送流量的影响,运用ANSYS软件对压电振子进行了湿模态分析,得到压电振子的前三阶工作频率以及压电振子的振型,然后通过Fluent软件,分别对有尾鳍和无尾鳍压电泵泵送性能进行仿真分析和试验对比.通过仿真分析得出,当激励电压峰峰值为100 V,频率为800 Hz时,有尾鳍时压电泵的泵送流量为65.34 mL/min,无尾鳍时压电泵的泵送流量为5.32 mL/min.试验结果表明:当仿尾鳍式压电振子的工作电压峰峰值为100 V,工作频率为760 Hz时,泵送流量为75.65 mL/min,工作频率为800 Hz时,泵送流量为60.25 mL/min;而无尾鳍压电泵在相同电压和频率下的泵送流量分别为4.60,4.10 mL/min,发现仿尾鳍式无阀压电泵泵送流量的主要来源为尾鳍对流体的驱动,分析了误差产生的原因,通过试验测试泵送流量与仿真结果进行对比,进一步验证仿真分析的正确性.
关键词：无阀压电泵;压电振子;尾鳍;仿真;流量
自从压电泵特别是无阀压电泵问世以来,其自身拥有的结构简单、流量可控性好、易于微型化、不易堵塞等优点,在滴灌、节水灌溉、水肥一体化等领域具有广阔的应用前景.但是这些无阀泵大多是流阻差式容积型压电泵,存在流量小、流动脉动等问题.
基于无阀压电泵存在的问题,文献[1]在研究中发现振子长度方向上的刚度对压电泵的性能具有重要影响,通过将陶瓷片粘贴在振子的端部提高振子振幅,但同时也形成了振子的刚性尾鳍,未对尾鳍做进一步探究.DINH等[2]在只考虑压电泵固液耦合的基础上对其进行了分析. ERSIN等[3]在考虑了流固耦合的同时对压电泵进行了数值分析.而对于尾鳍的研究,大多涉及机器鱼的相关文献,对仿尾鳍型泵的研究相对较少.胡笑奇等[4-5]提出了仿尾鳍式无阀压电泵,通过在振子端部增加柔性尾鳍来改善压电泵泵送流量小、流动脉动等问题;虽然对压电振子端部尾鳍对泵水性能的影响做了大量试验分析,但是对于尾鳍对无阀压电泵泵送流量影响的仿真分析较少.
文中在相关文献的基础上,利用Fluent动网格技术,模拟尾鳍实际运动过程,定义尾鳍运动轨迹模型,对尾鳍的运动进行仿真分析和计算,获得基于尾鳍运动的压电泵压力差和泵送流量,与试验结果进行比较,研究柔性尾鳍对压电泵泵送性能的影响.
仿尾鳍压电振子结构如图1所示,其结构由振子基体、压电陶瓷和尾鳍组成.压电陶瓷片(PZT)粘贴在基体上,尾鳍焊接在基体上,压电陶瓷表面涂上绝缘硅橡胶.
根据文献[6-7]的研究,双晶片振幅较单晶片振幅大,文中采用双晶片压电振子利用某一个方向的弯振,粘贴在金属基体上下两面的压电陶瓷片,在外电场的激励下分别产生伸长和收缩,引起由振子基体和 PZT组成的压电振子的弯曲振动,激发柔性尾鳍的PT段的大幅摆动.点O为固定端,点P为振子端部,又称为尾柄,点T为尾鳍的摆动端点.尾鳍及压电振子的结构参数与材料属性如表1所示,表中L为长度,W为宽度,H为高度,M为材料,E为弹性模量,ρ为密度,μ为泊松比.
图1 仿尾鳍压电振子结构
Fig.1 Structure of valveless piezoelectric vibrator with caudal-fin
表1 仿尾鳍压电振子结构参数与相关材料属性
Tab.1 Structure parameters and material properties of vibrator with caudal-fin
参数压电陶瓷片基板柔性尾鳍L/mm44606W/mm171717H/mm0 50 40 1MPZT8QSnQSnE/GPa—11301130ρ/(kg·m-3)760088008800μ0 300 330 33
为了获取仿尾鳍式无阀压电泵中关键部件——压电振子在流体中的振动频率与相应振型,为尾鳍的运动分析提供初始参数,基于ANSYS仿真软件对压电振子进行湿模态分析.
仿尾鳍式无阀压电泵结构模型如图2所示.无阀压电泵湿模态分析的流场域为长80 mm、直径25 mm的圆柱,采用Fluid 30单元,压电振子位于流场域中间位置,其结构模型如图3所示，流场所用介质为水.
图2 仿尾鳍式无阀压电泵结构模型
Fig.2 Structural model of valveless piezoelectric pump with caudal-fin
图3 压电振子与流场结构模型
Fig.3 Piezoelectric vibrator and fluid domain model
压电振子与流体接触表面定义为流固耦合面,形成机-电-液三场耦合模型[8-10],采用非对称法进行求解[11],计算完成后,获得前三阶振型如图4所示,提取压电振子前三阶谐振频率依次为69.0,974.8,1 556.7 Hz.
图4 压电振子前三阶模态振型
Fig.4 First three vibration modes of piezoelectric vibrator
研究表明,压电双晶片所有振型中,二阶弯振最接近压电双晶片在电场力作用下的变形[5],所以以二阶弯振频率作为柔性金属尾鳍获得较大振幅的频率.
根据机器鱼的相关研究,将鱼的尾鳍定义为一定幅值的正弦运动[12],因此,文中将尾鳍的俯仰运动和升沉运动定义为一定幅值的正弦运动的刚性摆动.
3.1 摆动尾鳍的计算模型
首先将尾鳍设为在流体中运动的刚性体,尾鳍的纵向移动和摆动频率设为常量,则尾鳍的运动规律可以表示为
(1)
式中:θ0为尾鳍的摆动幅度;Az为振子端部的纵移幅摆动运动间的相位差.
则纵向运动速度和摆动角速度则可表示为
(2)
3.2 Fluent运动仿真
根据尾鳍对压电泵性能的试验研究[13],摆动振子在二阶弯振状态时,端部振幅变大,在尾鳍长度Ltail为5 mm时,振幅达到最大值 0.4 mm,尾鳍的运动频率为800 Hz,而压电振子在流体中的弯曲振动将受到附加质量与阻尼效应的影响,运动轨迹与特性均会受到不同程度的改变.压电振子完全与流体接触,流体对振动影响较大,由于模态分析时忽略了流体黏性和阻尼效应,所以模态分析的二阶弯振频率大于试验中的二阶弯振频率,为了更接近尾鳍运动真实情况,文中设置尾鳍的运动频率f为800 Hz,相位差为20°,幅值为0.4 mm.通过Fluent中动网格技术[14]模拟和分析尾鳍的运动过程,运用UDF模块定义尾鳍的运动轨迹.
在xoy面截得尾鳍在4个时间点的压力云图,如图5, 6所示.从图中可以看出,右侧出口压力大于进口压力,有流体流出.
压电泵泵送流体性能测试方法有流量测量法与压差测量法,在相同条件下2种方法之间的关系[15]为
(3)
式中:Q为泵送流量值;S为流管的截面积;g为重力加速度;Ha为相对压差.
文中流管的截面积为19.625 mm2,图5中有尾鳍时出入口两端平均压差为1.54 Pa,图6中无尾鳍时出入口两端平均压差为0.01 Pa,由式(3)可近似算出,当f=800 Hz时,有尾鳍时仿真泵送流量Q为65.34 mL/min,无尾鳍时仿真泵送流量Q为5.32 mL/min.
图5 运动尾鳍的压力分布云图
Fig.5 Pressure distribution contour of caudal-fin motion
图6 无尾鳍压电振子的压力分布云图
Fig.6 Pressure distribution contour of piezoelectric vibrator without caudal-fin
通过试验得知,在允许的激励电压U范围内,压电泵泵送流量随压电振子激励电压的增大呈线性增大趋势,但频率f变化却不尽相同,如图7所示.
图7 无阀压电泵流量-频率特性曲线
Fig.7 Flow-frequency rate curve of valveless pump
从图7可以看出，在频率较小区间内,流量随频率增大而上升,而后流量急剧下降,在频率进一步增大后流量又出现了局部最大值,仍呈下降趋势.由于无阀压电泵在工作过程中液面抖动对压差干扰,压差的准确性难以测量,同时,压电泵在泵送流量试验过程中,要保证出水口与入水口水源处在同一水平面上,因此入水口水槽横截面积要尽量大一些,防止由于液面下降引起的测量误差,文中采用零压差流量测量法测量压电泵泵送流量.
4.1 流量-频率试验
无阀压电泵流量试验装置如图8所示,主要由信号发生器、示波器、功率放大器、无阀压电泵、精密电子秤、水槽和量杯等组成.在试验过程中,压电振子激励电压峰峰值设定为100 V,通过改变激励频率大小,测得不同的泵送流量值,得到流量随激励频率变化曲线,如图9所示.
图8 无阀压电泵流量试验装置
Fig.8 Flow rate measurement apparatus for valveless pump
图9 随不同激励频率泵送流量变化趋势
Fig.9 Pump flow rate curve at different excitation frequencies
从图9中可以看出,当激励频率在700～800 Hz时,即仿尾鳍式压电振子在二阶谐振频率附近工作时,泵送流量较大,当给压电振子施加激励频率为760 Hz时,泵送流量达到峰值为75.65 mL/min,而无尾鳍压电振子在760 Hz下的泵送流量仅为4.6 mL/min.
4.2 流量-电压试验
在试验过程中,压电振子工作频率设定为760 Hz时,激励电压峰峰值从100 V逐渐增大到160 V时,泵送流量越来越大,泵送流量随电压变化曲线如图10所示.
图10 随不同激励电压泵送流量变化趋势
Fig.10 Pump flow rate curve at different voltages
从图10可以看出，表明在一定电压允许范围内,泵送流量与压电振子的工作频率和工作电压具有很大的相关性,频率一定时,适当增加电压可以提高泵送流量.
通过仿真分析和试验测试研究了尾鳍对压电泵泵送性能的影响,主要得出以下结论:
1) 仿尾鳍式无阀压电泵泵送流量的主要来源是尾鳍对流体的驱动,尾鳍是压电泵泵送流量的关键部件,同时,无尾鳍时压电振子振动对流体也有一定的影响.
2) 通过仿真分析可以看出,在压电振子尾鳍端部形成了涡街,涡街的产生对于探究仿尾鳍式无阀压电泵对流体的搅拌作用具有重要意义.
3) 根据试验研究,当仿尾鳍式压电振子的工作电压峰峰值为100 V,工作频率为760 Hz时,泵送流量为75.65 mL/min,工作频率为800 Hz时,泵送流量为60.25 mL/min,与仿真结果65.34 mL/min相比较,仿真结果相对试验结果的误差为8.5%,究其原因主要是对模型做了些简化,忽略了压电振子在振动过程中固定端的相对振动、流体(水)相关属性的设置与试验的微小差别、泵送过程中气泡的产生以及人为因素等都会导致误差的产生.
4) 压电泵的泵送流量与压电振子的工作频率、电压有关,频率一定时,适当增加电压可以增大泵送流量.
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(责任编辑 谈国鹏)
Analysis and test on influence of caudal-fin on performance of valveless piezoelectric pump
GE Zhentao1, JI Jing1, LAN Yubin2, HU Xiaoqi3, QIN Tingting1, HU Caiqi1
(1. College of Mechanical and Electrical Engineering, Qingdao Agricultural University, Qingdao,Shandong 266109, China; 2. College of Engineering, South China Agricultural University, Guangzhou,Guangdong 510642, China;3. College of Engineering and Design, Lishui University,Lishui,Zhejiang 323000, China)
Abstract：In order to study the performance of a valveless piezoelectric pump with caudal-fin and identify the influence of piezoelectric vibrator caudal-fin on the pumping flow, a modal analysis on wetted piezoelectric vibrator caudal-fin was conducted in ANSYS. The first three working frequencies and corresponding vibration modes were obtained. Then the flow and performance of the piezoelectric pumps with and without caudal-fin were simulated by making use of Fluent, and compared with the experimental results. In simulations, when the excitation peak voltage is 100 V and the frequency is 800 Hz, the pumping flow in the piezoelectric pump with caudal-fin is 65.34 mL/min, while it is 5.32 mL /min in the pump without the fin. In experiments, when the excitation peak voltage is 100 V and the frequency is 800 and 760 Hz, the pumping flow in the piezoelectric pump with caudal-fin is 60.25 and 75.65 mL/min, but it is 4.10 and 4.60 mL/min in the pump without the fin, respectively. This is proved that the extra flow rate in the valveless piezoelectric pump with caudal-fin is mainly caused from the caudal-fin driving effect. Based on the comparison of tested and experimental pumping flow rate, the correctness of simulation analysis has been confirmed.
Key words：valveless piezoelectric pump;piezoelectric vibrator;caudal-fin;simulation; rate of flow
收稿日期：2016-07-18;< class='emphasis_bold'>网络出版时间： 2017-01-09
网络出版：时间： 2017-01-09
网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1814.TH.20170109.1551.030.html
基金项目：国家自然科学基金资助项目(51475221); 山东省高等学校青年骨干教师国内访问学者资助项目; 青岛农业大学高层次人才科研基金资助项目(6631115044)
作者简介：葛振涛(1988—)，男, 山东郯城人，硕士研究生(zhentao_ge@126.com), 主要从事压电泵技术研究. 胡彩旗(1974—)，女，山东郯城人，副教授 (通信作者，hucaiqi@163.com),主要从事压电泵技术研究.
中图分类号：S277.9; TP394.1 <文献标志码: a='' class='emphasis_bold'>文献标志码: A 文章编号： 1674-8530(2017)01-0087-06
文章编号：1674-8530(2017)01-0087-06
文献标志码：A 文章编号： 1674-8530(2017)01-0087-06
葛振涛, 纪晶, 兰玉彬， 等. 尾鳍对无阀压电泵性能的影响分析与试验研究[J]. 排灌机械工程学报,2017,35(1):87-92.
GE Zhentao, JI Jing, LAN Yubin, et al. Analysis and test on influence of caudal-fin on performance of valveless piezoelectric pump [J]. Journal of drainage and irrigation machinery engineering(JDIME), 2017,35(1):87-92.(in Chinese)
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