對某電泵的實驗探討
??當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構設計存在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，其關于進/出口軸所在平面對稱。為減少計算量，在Gambit中對其一半進行建模，具體參數如表1所示。本文主要以1=30°和2=90°為例進行說明。考慮到泵腔內結構特點以及模擬時運用動網格技術，用四面體單元來劃分非結構網格，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確性，目前對湍流的模擬方法主要有直接數值模擬和非直接數值模擬。前者是直接對瞬態(tài)的N-S方程進行求解，計算量很大，適用對簡單的結構進行求解。后者是對N-S方程進行某種簡化或者近似，運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，雷諾應力表示為3個正應力和3個切應力，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行簡化。
??根據Boussinesq假設，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液體速度隨著壓電振子周期性變化，進/出口都會出現回流，泵腔壁面復雜以及泵腔內空間產生旋渦，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變率Eij。這樣，RNG-模型中產生項不僅與流動情況有關，其在同一問題中還是空間坐標的函數。因此，RNG-模型能較好地處理高應變率及流線彎曲程度較大的流動。
??另外，不論標準-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，采用壁面函數法對近壁面區(qū)進行處理，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
??運用Ansys12中Fluent12.0模塊來進行流場模擬<14-15>，壓電泵與發(fā)動機（汽配氣發(fā)動機轉化器研討進展）工作的運動形式相同，1個工作周期也可以分為4個階段，對應的位置為：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。
??腔內部分液體，此刻流體的速度達到最大值，動能也最大。為振子從中間位置運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動，泵腔壓力減小，進出口開始吸入流體，這樣在很短時間內會出現流場混亂狀態(tài)。隨著向外流動流體的動能消耗，流場逐漸穩(wěn)定。0為振子從下死點運動到中間位置時泵腔流場的速度矢量，進出口同時吸入流體，流體再次獲得最大速度和動能，流體經進出口擴張后流入泵腔。1為振子由中間位置運動到上死點時刻泵腔流場速度矢量，可以看出進出口流體在距進口大約三分之二的地方相遇，即進口流入的流體比出口流入的流體多，而在排程進出口之間差別不明顯。
??在吸程中，流體經進出口流入泵腔時，有個突然擴張的過程。在進口為30°、出口為90°的坡面，進口處擴張較快，由于流體黏性帶動周圍流體運動，這樣在進口附近靠近泵腔壁處產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，出現繞流，在坡面后面也會出現漩渦。利用這些不同尺度的漩渦，可以有效地對傳輸的不同流體進行充分混合。
??模擬過程中對進出口流量進行監(jiān)控，經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行測量，隨著坡面角度的增加呈減少趨勢，這與仿真結論相吻合。在數值上，試驗結果較大，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.結論
??（1）從原理上對該壓電泵進行分析，建立泵模型，考慮到泵腔形狀的復雜，流動中流場的變化，流線發(fā)生彎曲，存在繞流和回流等現象，選擇RNG-湍流模型進行模擬，并采用壁面函數法對壁面進行處理。
??（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，運用用戶自定義函數，把壓電振子的振動以動邊界的形式加入模型中進行仿真，這樣更接近實際中試驗的工況，得到比較合理的結果，同時也為泵的流固耦合問題提供了簡單的解決方法。
??（3）對流場進行分析，從而得到泵的理論流量隨時間周期變化關系，以及不同坡面角度與泵流量的關系。
??（4）對泵流量進行試驗測量，對比理論流量和試驗流量，兩者變化規(guī)律一致。
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