文档介绍：中国工程热物理学会传热传质学
学术会议论文编号:123377
微型泵的三维数值模拟与实验研究
郭庭辉, 段斌, 罗小兵*
华中科技大学能源与动力工程学院,武汉,430074
*通讯作者,Tel:********** Email: ******@.
摘要:本文借助Fluent软件采用滑移网格方法对一种微型泵从蜗壳进口到出口的整机流场进行了数值模拟,得出采用全开式叶轮的微型泵非定常性比较强烈,二次流对速度、压力的分布有较大影响。与实验测试值相比,数值模拟误差小于15%,验证了数值模拟方法进行优化的可行性。
关键词:微型泵;数值模拟;实验测试
0 前言
从20世纪80 年代开始, 以微加工技术为基础的微机电系统(MEMS)已逐步从实验室探索阶段进入工业应用时期。微流体系统作为微机电系统中的一个主要研究方向,在医疗保健、环境监测、化学分析(如微总分析系统μTAS)、和生物工程等领域中具有巨大的市场应用前景。
微型泵作为微流体系统中的动力源,是其核心执行器件,也是微流体系统发展水平的重要标志[1]。航空航天是微型泵一个重要的研究及应用领域,苏联科学家对在航空航天中用到的小流量泵进行过较为系统的研究,将小流量泵按照工作原理分为叶片式泵,容积式泵,摩擦泵和射流泵,其中叶片式离心泵是航空航天系统小流量泵的基本类型,其在小的尺寸与质量下,能保证给定流量下的任意压头[2]。中国的微泵研究起步较晚,现在还停留在对不同类型微泵的探索研制阶段,与国外相比仍然有一定的差距。并且国内的微泵研制多集中在基于MEMS技术的容积式微泵,如静电驱动微泵,热气致动微泵,压电驱动微泵等。本文研究的是一种采用全开式离心叶轮的微型泵,其叶轮直径为9mm,转速为20470RPM。由于微型泵尺寸较小,使用部分流泵的传统设计公式可能会产生较大的流场性能偏差。因此,在微型泵的研制过程中,数值模拟和实验测试的工作格外重要。
微型泵采用部分流泵的设计形式,整个叶轮流场非定常特性强烈。本文采用滑移网格方法对微型泵从蜗壳进口到出口的整机流场进行了数值模拟[3],分析了其内部流场的主要特征,得到了微型泵的主要性能参数,并与实验测试结果进行了比对,为微型泵的进一步水力优化设计提供了理论依据。
图 1 微型泵实物图图 2 叶轮实物图
1 微型泵设计参数
本文所研究的微型泵主要由进水管、叶轮、蜗壳及排水管等组件组成。叶轮为开式径向直叶片叶轮,蜗壳为环形蜗壳,内壁与叶轮同心。泵的设计几何参数如表 1所示:
表 1 微型泵几何设计参数
进水管内径(mm)
d1
4
排水管内径(mm)
d2
4
叶轮进口直径(mm)
D1
3
叶轮出口直径(mm)
D2
9
叶片进口宽度(mm)
b1
2
叶片出口宽度(mm)
b2
4
叶片数
Z
6
2 流场模型建立与网格划分
本文求解流动方程采用任意滑移网格技术。将流域划分为动、静网格区域,动静网格区域间是公共的滑移界面,滑移界面两侧网格相互滑动, 而不要求界面两侧的网格结点相互重合,故区域内部的网格不会发生变化。计算过程中,动静两个区域的流场通过滑移界面传递参数,通过迭代计算来保证滑移界面两侧的通量相等。
微型泵叶轮和蜗壳的过流空间利用三维造型软件SolidWorks造型(计算模型