基于合成射流原理的无阀气体压电泵的仿真分析和试验研究

发布时间：2017-09-09 20:13

  本文关键词：基于合成射流原理的无阀气体压电泵的仿真分析和试验研究

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【摘要】：微流体系统已经应用在生物、机器人和电子设备等相关领域。超小容积的应用加速了健康监测和生物学的研究并极大减少了分析时间和成本。在这些应用中,微泵对于任何微流体系统至关重要并且在最近几十年成为很有吸引力的课题。微泵大部分都是由压电振子驱动,因为压电振子具有结构简单、响应迅速、价格低廉等特点。本文结合国家自然科学基金项目的研究《压电驱动流体动耦合软体驱动器设计理论与关键技术究》(项目编号:51405189),设计并制作了基于合成射流原理的无阀气体压电泵(以下简称“无阀气体压电泵”),本无阀气体压电泵拥有尺寸小、结构简单、无传动件、易集成、易控制等特点,与合成射流激励器相比具有较强的流动方向控制能力。对这种基于合成射流原理的无阀气体压电泵进行仿真分析和试验研究,说明其工作原理并对相关结构参数进行研究。利用ANSYS软件建立压电振子的有限元模型,对其进行模态分析、静力学分析以及谐响应分析,并在此基础上进行实验测试,得到压电振子的输出位移,为系统仿真分析提供支撑。对无阀气体压电泵的流体区域创建三维仿真模型,利用ICEM软件对其进行网格划分,使用CFX软件,采用动网格技术对压电振子的运动规律进行模拟,根据实际情况确定模型的初始条件、边界类型、计算模型等条件。对CFX的仿真结果进行讨论,通过对无阀气体压电泵一个工作周期中不同时刻的流线图、矢量图的分析,详细说明该泵的工作原理;对无阀气体压电泵流量影响较大的四个参数—容腔高度、泵腔高度、射流孔直径、出口直径进行仿真对比分析,探索这些参数对流量的影响规律,作为压电泵的试制及试验参数调整的依据。设计制作无阀气体压电泵的试验样机,搭建试验测试系统,采用皂膜式电子流量计测量无阀气体压电泵的气体流量,在激励电压为120V,频率变化范围为40Hz~400Hz的条件下,选取对流量影响较大的四个参数—容腔高度、泵腔高度、射流孔直径、出口直径进行对比试验,考察相关参数对无阀气体压电泵流量的影响规律,验证了本文所设计的基于合成射流原理的无阀气体压电泵的结构可行性及工作原理的有效性。
【关键词】：合成射流 无阀气体压电泵 仿真 试验 压电振子
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH38
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第1章 绪论12-20
• 1.1 引言12
• 1.2 压电泵的分类12-13
• 1.3 有阀压电泵简介13-14
• 1.4 无阀压电泵的研究现状14-17
• 1.5 本文的研究意义及主要内容17-20
• 第2章 圆形压电振子的性能分析20-28
• 2.1 压电材料基础理论20
• 2.2 压电材料分类、性能及选用20-21
• 2.3 压电效应21-23
• 2.4 压电陶瓷性能参数23-24
• 2.5 圆形压电振子力学模型24-26
• 2.6 本章小结26-28
• 第3章 圆形压电振子的仿真分析及实验28-40
• 3.1 圆形压电振子有限元模型的建立28-31
• 3.1.1 仿真时所用相关参数28-29
• 3.1.2 压电振子几何模型的建立以及网格划分29-30
• 3.1.3 施加约束载荷30-31
• 3.2 圆形压电振子的仿真分析31-35
• 3.2.1 模态分析31-33
• 3.2.2 静力学分析33-35
• 3.2.3 谐响应分析35
• 3.3 圆形压电振子实验35-39
• 3.3.1 圆形压电振子中心点振幅实验测试35-38
• 3.3.2 无阀气体压电泵的谐振频率测试38-39
• 3.4 本章小结39-40
• 第4章 基于合成射流原理的无阀气体压电泵的仿真分析40-56
• 4.1 合成射流原理介绍40-41
• 4.2 本文中无阀气体压电泵的结构及其工作原理41-43
• 4.2.1 无阀气体压电泵的结构41-42
• 4.2.2 无阀气体压电泵的工作原理42-43
• 4.3 流体有限元模型的建立43-44
• 4.4 CFX流体仿真模型的求解设置44-47
• 4.5 无阀气体压电泵工作原理仿真47-51
• 4.6 仿真对比结果分析51-54
• 4.7 本章小结54-56
• 第5章 无阀气体压电泵的试验研究56-68
• 5.1 无阀气体压电泵的制作56-57
• 5.2 搭建流量测试系统57-58
• 5.3 无阀气体压电泵的基本性能测试58-60
• 5.4 无阀气体压电泵流量的试验研究60-67
• 5.4.1 容腔高度对无阀气体压电泵流量的影响60-62
• 5.4.2 泵腔高度对无阀气体压电泵流量的影响62-64
• 5.4.3 射流孔直径对无阀气体压电泵流量的影响64-65
• 5.4.4 出口直径对无阀气体压电泵流量的影响65-67
• 5.5 本章小结67-68
• 第6章 结论与展望68-70
• 6.1 本文结论68-69
• 6.2 展望69-70
• 参考文献70-76
• 作者简介及攻读硕士期间学术成果76-78
• 致谢78-79

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