??當(dāng)壓電振子被施加交變電壓時，壓電陶瓷帶動金屬放大片（壓電振子）會產(chǎn)生交變的類似拋物面形狀的變形<12-13>，從而使泵腔容積發(fā)生變化。

??流體從泵腔左右兩端流入、流出泵腔時，由于非對稱坡面腔底的結(jié)構(gòu)設(shè)計存在1≠2，流體在左右坡面兩個方向上受到的阻力不同，使兩端存在流量差，從而實現(xiàn)了泵的流體傳輸功能。

??1.模型建立

??圖所示為泵腔充滿流體部分，其關(guān)于進(jìn)/出口軸所在平面對稱。為減少計算量，在Gambit中對其一半進(jìn)行建模，具體參數(shù)如表1所示。本文主要以1=30°和2=90°為例進(jìn)行說明?？紤]到泵腔內(nèi)結(jié)構(gòu)特點以及模擬時運(yùn)用動網(wǎng)格技術(shù)，用四面體單元來劃分非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，和分別為泵腔實體模型和由于對湍流模型的選擇直接影響到模擬分析的準(zhǔn)確性，目前對湍流的模擬方法主要有直接數(shù)值模擬和非直接數(shù)值模擬。前者是直接對瞬態(tài)的N-S方程進(jìn)行求解，計算量很大，適用對簡單的結(jié)構(gòu)進(jìn)行求解。后者是對N-S方程進(jìn)行某種簡化或者近似，運(yùn)用最廣泛的就雷諾平均法，其基本思路是將N-S方程中的變量分解為時均常量和變量。

??對于三維問題，雷諾應(yīng)力表示為3個正應(yīng)力和3個切應(yīng)力，即方程中增加了6個未知量。為使方程組封閉，必須引入其他模型或者對方程進(jìn)行簡化。

??根據(jù)Boussinesq假設(shè)，把雷諾壓力和平均速度梯度聯(lián)系起來。

??考慮到模擬過程中泵腔內(nèi)液體速度隨著壓電振子周期性變化，進(jìn)/出口都會出現(xiàn)回流，泵腔壁面復(fù)雜以及泵腔內(nèi)空間產(chǎn)生旋渦，流線會發(fā)生彎曲等因素，選擇RNG-湍流模型，考慮了平均流動中的旋轉(zhuǎn)及旋流流動情況。另外，在方程中增加了一項，反映了主流的時均應(yīng)變率Eij。這樣，RNG-模型中產(chǎn)生項不僅與流動情況有關(guān)，其在同一問題中還是空間坐標(biāo)的函數(shù)。因此，RNG-模型能較好地處理高應(yīng)變率及流線彎曲程度較大的流動。

??另外，不論標(biāo)準(zhǔn)-模型還是RNG-模型，都沒有考慮壁面對整個流動的影響，在近壁面區(qū)域的流動，湍流發(fā)展并不充分，存在層流和過度流。為了準(zhǔn)確模擬泵的工作狀況，必須考慮到壁面情況。在此，采用壁面函數(shù)法對近壁面區(qū)進(jìn)行處理，將壁面上的物理量與湍流核心區(qū)待求的未知量直接聯(lián)系起來。

??2.流場分析

??運(yùn)用Ansys12中Fluent12.0模塊來進(jìn)行流場模擬<14-15>，壓電泵與發(fā)動機(jī)（汽配氣發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)化器研討進(jìn)展）工作的運(yùn)動形式相同，1個工作周期也可以分為4個階段，對應(yīng)的位置為：中間位置―下死點―中間位置―上死點，由上死點至下死點為排程，下死點運(yùn)動到上死點為吸程?！?分別表示了上述4個時刻的泵腔流場的速度矢量。

??腔內(nèi)部分液體，此刻流體的速度達(dá)到最大值，動能也最大。為振子從中間位置運(yùn)動到下死點時刻流場的速度矢量，由于慣性的存在，此刻流體速度沒有減小到零，繼續(xù)向外排出流體。然而，下一時刻振子將向中間位置運(yùn)動，泵腔壓力減小，進(jìn)出口開始吸入流體，這樣在很短時間內(nèi)會出現(xiàn)流場混亂狀態(tài)。隨著向外流動流體的動能消耗，流場逐漸穩(wěn)定。0為振子從下死點運(yùn)動到中間位置時泵腔流場的速度矢量，進(jìn)出口同時吸入流體，流體再次獲得最大速度和動能，流體經(jīng)進(jìn)出口擴(kuò)張后流入泵腔。1為振子由中間位置運(yùn)動到上死點時刻泵腔流場速度矢量，可以看出進(jìn)出口流體在距進(jìn)口大約三分之二的地方相遇，即進(jìn)口流入的流體比出口流入的流體多，而在排程進(jìn)出口之間差別不明顯。

??在吸程中，流體經(jīng)進(jìn)出口流入泵腔時，有個突然擴(kuò)張的過程。在進(jìn)口為30°、出口為90°的坡面，進(jìn)口處擴(kuò)張較快，由于流體黏性帶動周圍流體運(yùn)動，這樣在進(jìn)口附近靠近泵腔壁處產(chǎn)生一個水平方向的漩渦。同時，在垂直方向上，由于坡面的存在，出現(xiàn)繞流，在坡面后面也會出現(xiàn)漩渦。利用這些不同尺度的漩渦，可以有效地對傳輸?shù)牟煌黧w進(jìn)行充分混合。

??模擬過程中對進(jìn)出口流量進(jìn)行監(jiān)控，經(jīng)過后處理可以得到泵的理論流量。

??3.試驗研究

??采用3所示的流量測量方法對該泵流量進(jìn)行測量，隨著坡面角度的增加呈減少趨勢，這與仿真結(jié)論相吻合。在數(shù)值上，試驗結(jié)果較大，一方面是因為仿真時用直徑為35mm的壓電振子，試驗中則采用直徑為50mm的壓電振子，泵腔容積變化量增大，致使流量增加；另一方面，仿真中壓電振子的變形量固定不變，而在試驗中隨著泵腔液體的流動，泵腔內(nèi)發(fā)生流固耦合，壓電振子的變形不一定為定值，從而造成差異。

??4.結(jié)論

??（1）從原理上對該壓電泵進(jìn)行分析，建立泵模型，考慮到泵腔形狀的復(fù)雜，流動中流場的變化，流線發(fā)生彎曲，存在繞流和回流等現(xiàn)象，選擇RNG-湍流模型進(jìn)行模擬，并采用壁面函數(shù)法對壁面進(jìn)行處理。

??（2）利用多普勒激光測振儀測量出壓電振子在工作狀態(tài)下流固耦合后的振動特性，運(yùn)用用戶自定義函數(shù)，把壓電振子的振動以動邊界的形式加入模型中進(jìn)行仿真，這樣更接近實際中試驗的工況，得到比較合理的結(jié)果，同時也為泵的流固耦合問題提供了簡單的解決方法。

??（3）對流場進(jìn)行分析，從而得到泵的理論流量隨時間周期變化關(guān)系，以及不同坡面角度與泵流量的關(guān)系。

??（4）對泵流量進(jìn)行試驗測量，對比理論流量和試驗流量，兩者變化規(guī)律一致。

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