doi:10.3969/j.issn.1674-8530.16.0168

尾鰭對(duì)無閥壓電泵性能的影響分析與試驗(yàn)研究

葛振濤1, 紀(jì)晶1, 蘭玉彬2, 胡笑奇3, 秦婷婷1, 胡彩旗1

(1.青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院, 山東 青島 266109; 2.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院, 廣東 廣州 510642; 3.麗水學(xué)院工程與設(shè)計(jì)學(xué)院, 浙江 麗水 323000)

葛振濤

摘要：為了研究仿尾鰭式無閥壓電泵的工作性能,探討尾鰭對(duì)無閥壓電泵泵送流量的影響,運(yùn)用ANSYS軟件對(duì)壓電振子進(jìn)行了濕模態(tài)分析,得到壓電振子的前三階工作頻率以及壓電振子的振型,然后通過Fluent軟件,分別對(duì)有尾鰭和無尾鰭壓電泵泵送性能進(jìn)行仿真分析和試驗(yàn)對(duì)比.通過仿真分析得出,當(dāng)激勵(lì)電壓峰峰值為100 V,頻率為800 Hz時(shí),有尾鰭時(shí)壓電泵的泵送流量為65.34 mL/min,無尾鰭時(shí)壓電泵的泵送流量為5.32 mL/min.試驗(yàn)結(jié)果表明:當(dāng)仿尾鰭式壓電振子的工作電壓峰峰值為100 V,工作頻率為760 Hz時(shí),泵送流量為75.65 mL/min,工作頻率為800 Hz時(shí),泵送流量為60.25 mL/min;而無尾鰭壓電泵在相同電壓和頻率下的泵送流量分別為4.60,4.10 mL/min,發(fā)現(xiàn)仿尾鰭式無閥壓電泵泵送流量的主要來源為尾鰭對(duì)流體的驅(qū)動(dòng),分析了誤差產(chǎn)生的原因,通過試驗(yàn)測(cè)試泵送流量與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,進(jìn)一步驗(yàn)證仿真分析的正確性.

關(guān)鍵詞：無閥壓電泵;壓電振子;尾鰭;仿真;流量

自從壓電泵特別是無閥壓電泵問世以來,其自身?yè)碛械慕Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,、流量可控性好、易于微型化,、不易堵塞等優(yōu)點(diǎn),在滴灌,、節(jié)水灌溉、水肥一體化等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景.但是這些無閥泵大多是流阻差式容積型壓電泵,存在流量小,、流動(dòng)脈動(dòng)等問題.

基于無閥壓電泵存在的問題,文獻(xiàn)[1]在研究中發(fā)現(xiàn)振子長(zhǎng)度方向上的剛度對(duì)壓電泵的性能具有重要影響,通過將陶瓷片粘貼在振子的端部提高振子振幅,但同時(shí)也形成了振子的剛性尾鰭,未對(duì)尾鰭做進(jìn)一步探究.DINH等[2]在只考慮壓電泵固液耦合的基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行了分析. ERSIN等[3]在考慮了流固耦合的同時(shí)對(duì)壓電泵進(jìn)行了數(shù)值分析.而對(duì)于尾鰭的研究,大多涉及機(jī)器魚的相關(guān)文獻(xiàn),對(duì)仿尾鰭型泵的研究相對(duì)較少.胡笑奇等[4-5]提出了仿尾鰭式無閥壓電泵,通過在振子端部增加柔性尾鰭來改善壓電泵泵送流量小,、流動(dòng)脈動(dòng)等問題;雖然對(duì)壓電振子端部尾鰭對(duì)泵水性能的影響做了大量試驗(yàn)分析,但是對(duì)于尾鰭對(duì)無閥壓電泵泵送流量影響的仿真分析較少.

文中在相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上,利用Fluent動(dòng)網(wǎng)格技術(shù),模擬尾鰭實(shí)際運(yùn)動(dòng)過程,定義尾鰭運(yùn)動(dòng)軌跡模型,對(duì)尾鰭的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行仿真分析和計(jì)算,獲得基于尾鰭運(yùn)動(dòng)的壓電泵壓力差和泵送流量,與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較,研究柔性尾鰭對(duì)壓電泵泵送性能的影響.

1 仿尾鰭壓電振子結(jié)構(gòu)

仿尾鰭壓電振子結(jié)構(gòu)如圖1所示,其結(jié)構(gòu)由振子基體、壓電陶瓷和尾鰭組成.壓電陶瓷片(PZT)粘貼在基體上,尾鰭焊接在基體上,壓電陶瓷表面涂上絕緣硅橡膠.

根據(jù)文獻(xiàn)[6-7]的研究,雙晶片振幅較單晶片振幅大,文中采用雙晶片壓電振子利用某一個(gè)方向的彎振,粘貼在金屬基體上下兩面的壓電陶瓷片,在外電場(chǎng)的激勵(lì)下分別產(chǎn)生伸長(zhǎng)和收縮,引起由振子基體和 PZT組成的壓電振子的彎曲振動(dòng),激發(fā)柔性尾鰭的PT段的大幅擺動(dòng).點(diǎn)O為固定端,點(diǎn)P為振子端部,又稱為尾柄,點(diǎn)T為尾鰭的擺動(dòng)端點(diǎn).尾鰭及壓電振子的結(jié)構(gòu)參數(shù)與材料屬性如表1所示,表中L為長(zhǎng)度,W為寬度,H為高度,M為材料,E為彈性模量,ρ為密度,μ為泊松比.

圖1 仿尾鰭壓電振子結(jié)構(gòu)

Fig.1 Structure of valveless piezoelectric vibrator with caudal-fin

表1 仿尾鰭壓電振子結(jié)構(gòu)參數(shù)與相關(guān)材料屬性

Tab.1 Structure parameters and material properties of vibrator with caudal-fin

參數(shù)壓電陶瓷片基板柔性尾鰭L/mm44606W/mm171717H/mm0 50 40 1MPZT8QSnQSnE/GPa—11301130ρ/(kg·m-3)760088008800μ0 300 330 33

2 模態(tài)分析

為了獲取仿尾鰭式無閥壓電泵中關(guān)鍵部件——壓電振子在流體中的振動(dòng)頻率與相應(yīng)振型,為尾鰭的運(yùn)動(dòng)分析提供初始參數(shù),基于ANSYS仿真軟件對(duì)壓電振子進(jìn)行濕模態(tài)分析.

仿尾鰭式無閥壓電泵結(jié)構(gòu)模型如圖2所示.無閥壓電泵濕模態(tài)分析的流場(chǎng)域?yàn)殚L(zhǎng)80 mm,、直徑25 mm的圓柱,采用Fluid 30單元,壓電振子位于流場(chǎng)域中間位置,其結(jié)構(gòu)模型如圖3所示,，流場(chǎng)所用介質(zhì)為水.

圖2 仿尾鰭式無閥壓電泵結(jié)構(gòu)模型

Fig.2 Structural model of valveless piezoelectric pump with caudal-fin

圖3 壓電振子與流場(chǎng)結(jié)構(gòu)模型

Fig.3 Piezoelectric vibrator and fluid domain model

壓電振子與流體接觸表面定義為流固耦合面,形成機(jī)-電-液三場(chǎng)耦合模型[8-10],采用非對(duì)稱法進(jìn)行求解[11],計(jì)算完成后,獲得前三階振型如圖4所示,提取壓電振子前三階諧振頻率依次為69.0,974.8,1 556.7 Hz.

圖4 壓電振子前三階模態(tài)振型

Fig.4 First three vibration modes of piezoelectric vibrator

研究表明,壓電雙晶片所有振型中,二階彎振最接近壓電雙晶片在電場(chǎng)力作用下的變形[5],所以以二階彎振頻率作為柔性金屬尾鰭獲得較大振幅的頻率.

3 尾鰭運(yùn)動(dòng)的仿真分析

根據(jù)機(jī)器魚的相關(guān)研究,將魚的尾鰭定義為一定幅值的正弦運(yùn)動(dòng)[12],因此,文中將尾鰭的俯仰運(yùn)動(dòng)和升沉運(yùn)動(dòng)定義為一定幅值的正弦運(yùn)動(dòng)的剛性擺動(dòng).

3.1 擺動(dòng)尾鰭的計(jì)算模型

首先將尾鰭設(shè)為在流體中運(yùn)動(dòng)的剛性體,尾鰭的縱向移動(dòng)和擺動(dòng)頻率設(shè)為常量,則尾鰭的運(yùn)動(dòng)規(guī)律可以表示為

(1)

式中:θ0為尾鰭的擺動(dòng)幅度;Az為振子端部的縱移幅擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)間的相位差.

則縱向運(yùn)動(dòng)速度和擺動(dòng)角速度則可表示為

(2)

3.2 Fluent運(yùn)動(dòng)仿真

根據(jù)尾鰭對(duì)壓電泵性能的試驗(yàn)研究[13],擺動(dòng)振子在二階彎振狀態(tài)時(shí),端部振幅變大,在尾鰭長(zhǎng)度Ltail為5 mm時(shí),振幅達(dá)到最大值 0.4 mm,尾鰭的運(yùn)動(dòng)頻率為800 Hz,而壓電振子在流體中的彎曲振動(dòng)將受到附加質(zhì)量與阻尼效應(yīng)的影響,運(yùn)動(dòng)軌跡與特性均會(huì)受到不同程度的改變.壓電振子完全與流體接觸,流體對(duì)振動(dòng)影響較大,由于模態(tài)分析時(shí)忽略了流體黏性和阻尼效應(yīng),所以模態(tài)分析的二階彎振頻率大于試驗(yàn)中的二階彎振頻率,為了更接近尾鰭運(yùn)動(dòng)真實(shí)情況,文中設(shè)置尾鰭的運(yùn)動(dòng)頻率f為800 Hz,相位差為20°,幅值為0.4 mm.通過Fluent中動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)[14]模擬和分析尾鰭的運(yùn)動(dòng)過程,運(yùn)用UDF模塊定義尾鰭的運(yùn)動(dòng)軌跡.

在xoy面截得尾鰭在4個(gè)時(shí)間點(diǎn)的壓力云圖,如圖5, 6所示.從圖中可以看出,右側(cè)出口壓力大于進(jìn)口壓力,有流體流出.

壓電泵泵送流體性能測(cè)試方法有流量測(cè)量法與壓差測(cè)量法,在相同條件下2種方法之間的關(guān)系[15]為

(3)

式中:Q為泵送流量值;S為流管的截面積;g為重力加速度;Ha為相對(duì)壓差.

文中流管的截面積為19.625 mm2,圖5中有尾鰭時(shí)出入口兩端平均壓差為1.54 Pa,圖6中無尾鰭時(shí)出入口兩端平均壓差為0.01 Pa,由式(3)可近似算出,當(dāng)f=800 Hz時(shí),有尾鰭時(shí)仿真泵送流量Q為65.34 mL/min,無尾鰭時(shí)仿真泵送流量Q為5.32 mL/min.

圖5 運(yùn)動(dòng)尾鰭的壓力分布云圖

Fig.5 Pressure distribution contour of caudal-fin motion

圖6 無尾鰭壓電振子的壓力分布云圖

Fig.6 Pressure distribution contour of piezoelectric vibrator without caudal-fin

4 仿尾鰭式無閥壓電泵流量試驗(yàn)

通過試驗(yàn)得知,在允許的激勵(lì)電壓U范圍內(nèi),壓電泵泵送流量隨壓電振子激勵(lì)電壓的增大呈線性增大趨勢(shì),但頻率f變化卻不盡相同,如圖7所示.

圖7 無閥壓電泵流量-頻率特性曲線

Fig.7 Flow-frequency rate curve of valveless pump

從圖7可以看出，在頻率較小區(qū)間內(nèi),流量隨頻率增大而上升,而后流量急劇下降,在頻率進(jìn)一步增大后流量又出現(xiàn)了局部最大值,仍呈下降趨勢(shì).由于無閥壓電泵在工作過程中液面抖動(dòng)對(duì)壓差干擾,壓差的準(zhǔn)確性難以測(cè)量,同時(shí),壓電泵在泵送流量試驗(yàn)過程中,要保證出水口與入水口水源處在同一水平面上,因此入水口水槽橫截面積要盡量大一些,防止由于液面下降引起的測(cè)量誤差,文中采用零壓差流量測(cè)量法測(cè)量壓電泵泵送流量.

4.1 流量-頻率試驗(yàn)

無閥壓電泵流量試驗(yàn)裝置如圖8所示,主要由信號(hào)發(fā)生器,、示波器,、功率放大器、無閥壓電泵,、精密電子秤,、水槽和量杯等組成.在試驗(yàn)過程中,壓電振子激勵(lì)電壓峰峰值設(shè)定為100 V,通過改變激勵(lì)頻率大小,測(cè)得不同的泵送流量值,得到流量隨激勵(lì)頻率變化曲線,如圖9所示.

圖8 無閥壓電泵流量試驗(yàn)裝置

Fig.8 Flow rate measurement apparatus for valveless pump

圖9 隨不同激勵(lì)頻率泵送流量變化趨勢(shì)

Fig.9 Pump flow rate curve at different excitation frequencies

從圖9中可以看出,當(dāng)激勵(lì)頻率在700～800 Hz時(shí),即仿尾鰭式壓電振子在二階諧振頻率附近工作時(shí),泵送流量較大,當(dāng)給壓電振子施加激勵(lì)頻率為760 Hz時(shí),泵送流量達(dá)到峰值為75.65 mL/min,而無尾鰭壓電振子在760 Hz下的泵送流量?jī)H為4.6 mL/min.

4.2 流量-電壓試驗(yàn)

在試驗(yàn)過程中,壓電振子工作頻率設(shè)定為760 Hz時(shí),激勵(lì)電壓峰峰值從100 V逐漸增大到160 V時(shí),泵送流量越來越大,泵送流量隨電壓變化曲線如圖10所示.

圖10 隨不同激勵(lì)電壓泵送流量變化趨勢(shì)

Fig.10 Pump flow rate curve at different voltages

從圖10可以看出，表明在一定電壓允許范圍內(nèi),泵送流量與壓電振子的工作頻率和工作電壓具有很大的相關(guān)性,頻率一定時(shí),適當(dāng)增加電壓可以提高泵送流量.

5 結(jié) 論

通過仿真分析和試驗(yàn)測(cè)試研究了尾鰭對(duì)壓電泵泵送性能的影響,主要得出以下結(jié)論:

1) 仿尾鰭式無閥壓電泵泵送流量的主要來源是尾鰭對(duì)流體的驅(qū)動(dòng),尾鰭是壓電泵泵送流量的關(guān)鍵部件,同時(shí),無尾鰭時(shí)壓電振子振動(dòng)對(duì)流體也有一定的影響.

2) 通過仿真分析可以看出,在壓電振子尾鰭端部形成了渦街,渦街的產(chǎn)生對(duì)于探究仿尾鰭式無閥壓電泵對(duì)流體的攪拌作用具有重要意義.

3) 根據(jù)試驗(yàn)研究,當(dāng)仿尾鰭式壓電振子的工作電壓峰峰值為100 V,工作頻率為760 Hz時(shí),泵送流量為75.65 mL/min,工作頻率為800 Hz時(shí),泵送流量為60.25 mL/min,與仿真結(jié)果65.34 mL/min相比較,仿真結(jié)果相對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的誤差為8.5%,究其原因主要是對(duì)模型做了些簡(jiǎn)化,忽略了壓電振子在振動(dòng)過程中固定端的相對(duì)振動(dòng),、流體(水)相關(guān)屬性的設(shè)置與試驗(yàn)的微小差別,、泵送過程中氣泡的產(chǎn)生以及人為因素等都會(huì)導(dǎo)致誤差的產(chǎn)生.

4) 壓電泵的泵送流量與壓電振子的工作頻率、電壓有關(guān),頻率一定時(shí),適當(dāng)增加電壓可以增大泵送流量.

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(責(zé)任編輯 談國(guó)鵬)

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'>網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間： 2017-01-09

網(wǎng)絡(luò)出版：時(shí)間： 2017-01-09

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1814.TH.20170109.1551.030.html

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51475221); 山東省高等學(xué)校青年骨干教師國(guó)內(nèi)訪問學(xué)者資助項(xiàng)目; 青島農(nóng)業(yè)大學(xué)高層次人才科研基金資助項(xiàng)目(6631115044)

作者簡(jiǎn)介：葛振濤(1988—),，男, 山東郯城人，碩士研究生([email protected]), 主要從事壓電泵技術(shù)研究. 胡彩旗(1974—),，女,，山東郯城人，副教授 (通信作者,，[email protected]),主要從事壓電泵技術(shù)研究.

中圖分類號(hào)：S277.9; TP394.1 <文獻(xiàn)標(biāo)志碼: a='' class='emphasis_bold'>文獻(xiàn)標(biāo)志碼: A 文章編號(hào)： 1674-8530(2017)01-0087-06

文章編號(hào)：1674-8530(2017)01-0087-06

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)： 1674-8530(2017)01-0087-06

葛振濤, 紀(jì)晶, 蘭玉彬,， 等. 尾鰭對(duì)無閥壓電泵性能的影響分析與試驗(yàn)研究[J]. 排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào),2017,35(1):87-92.

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