对某电泵的实验探讨
当压电振子被施加交变电压时，压电陶瓷带动金属放大片（压电振子）会产生交变的类似抛物面形状的变形<12-13>，从而使泵腔容积发生变化。
流体从泵腔左右两端流入、流出泵腔时，由于非对称坡面腔底的结构设计存在1≠2，流体在左右坡面两个方向上受到的阻力不同，使两端存在流量差，从而实现了泵的流体传输功能。
1.模型建立
图所示为泵腔充满流体部分，其关于进/出口轴所在平面对称。为减少计算量，在Gambit中对其一半进行建模，具体参数如表1所示。本文主要以1=30°和2=90°为例进行说明。考虑到泵腔内结构特点以及模拟时运用动网格技术，用四面体单元来划分非结构网格，和分别为泵腔实体模型和由于对湍流模型的选择直接影响到模拟分析的准确性，目前对湍流的模拟方法主要有直接数值模拟和非直接数值模拟。前者是直接对瞬态的N-S方程进行求解，计算量很大，适用对简单的结构进行求解。后者是对N-S方程进行某种简化或者近似，运用最广泛的就雷诺平均法，其基本思路是将N-S方程中的变量分解为时均常量和变量。
对于三维问题，雷诺应力表示为3个正应力和3个切应力，即方程中增加了6个未知量。为使方程组封闭，必须引入其他模型或者对方程进行简化。
根据Boussinesq假设，把雷诺压力和平均速度梯度联系起来。
考虑到模拟过程中泵腔内液体速度随着压电振子周期性变化，进/出口都会出现回流，泵腔壁面复杂以及泵腔内空间产生旋涡，流线会发生弯曲等因素，选择RNG-湍流模型，考虑了平均流动中的旋转及旋流流动情况。另外，在方程中增加了一项，反映了主流的时均应变率Eij。这样，RNG-模型中产生项不仅与流动情况有关，其在同一问题中还是空间坐标的函数。因此，RNG-模型能较好地处理高应变率及流线弯曲程度较大的流动。
另外，不论标准-模型还是RNG-模型，都没有考虑壁面对整个流动的影响，在近壁面区域的流动，湍流发展并不充分，存在层流和过度流。为了准确模拟泵的工作状况，必须考虑到壁面情况。在此，采用壁面函数法对近壁面区进行处理，将壁面上的物理量与湍流核心区待求的未知量直接联系起来。
2.流场分析
运用Ansys12中Fluent12.0模块来进行流场模拟<14-15>，压电泵与发动机（汽配气发动机转化器研讨进展）工作的运动形式相同，1个工作周期也可以分为4个阶段，对应的位置为：中间位置―下死点―中间位置―上死点，由上死点至下死点为排程，下死点运动到上死点为吸程。～1分别表示了上述4个时刻的泵腔流场的速度矢量。
腔内部分液体，此刻流体的速度达到最大值，动能也最大。为振子从中间位置运动到下死点时刻流场的速度矢量，由于惯性的存在，此刻流体速度没有减小到零，继续向外排出流体。然而，下一时刻振子将向中间位置运动，泵腔压力减小，进出口开始吸入流体，这样在很短时间内会出现流场混乱状态。随着向外流动流体的动能消耗，流场逐渐稳定。0为振子从下死点运动到中间位置时泵腔流场的速度矢量，进出口同时吸入流体，流体再次获得最大速度和动能，流体经进出口扩张后流入泵腔。1为振子由中间位置运动到上死点时刻泵腔流场速度矢量，可以看出进出口流体在距进口大约三分之二的地方相遇，即进口流入的流体比出口流入的流体多，而在排程进出口之间差别不明显。
在吸程中，流体经进出口流入泵腔时，有个突然扩张的过程。在进口为30°、出口为90°的坡面，进口处扩张较快，由于流体黏性带动周围流体运动，这样在进口附近靠近泵腔壁处产生一个水平方向的漩涡。同时，在垂直方向上，由于坡面的存在，出现绕流，在坡面后面也会出现漩涡。利用这些不同尺度的漩涡，可以有效地对传输的不同流体进行充分混合。
模拟过程中对进出口流量进行监控，经过后处理可以得到泵的理论流量。
3.试验研究
采用3所示的流量测量方法对该泵流量进行测量，随着坡面角度的增加呈减少趋势，这与仿真结论相吻合。在数值上，试验结果较大，一方面是因为仿真时用直径为35mm的压电振子，试验中则采用直径为50mm的压电振子，泵腔容积变化量增大，致使流量增加；另一方面，仿真中压电振子的变形量固定不变，而在试验中随着泵腔液体的流动，泵腔内发生流固耦合，压电振子的变形不一定为定值，从而造成差异。
4.结论
（1）从原理上对该压电泵进行分析，建立泵模型，考虑到泵腔形状的复杂，流动中流场的变化，流线发生弯曲，存在绕流和回流等现象，选择RNG-湍流模型进行模拟，并采用壁面函数法对壁面进行处理。
（2）利用多普勒激光测振仪测量出压电振子在工作状态下流固耦合后的振动特性，运用用户自定义函数，把压电振子的振动以动边界的形式加入模型中进行仿真，这样更接近实际中试验的工况，得到比较合理的结果，同时也为泵的流固耦合问题提供了简单的解决方法。
（3）对流场进行分析，从而得到泵的理论流量随时间周期变化关系，以及不同坡面角度与泵流量的关系。
（4）对泵流量进行试验测量，对比理论流量和试验流量，两者变化规律一致。
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