微型压电气泵具有有阀和无阀两种结构,相较于有阀压电气泵,无阀压电气泵结构较为简单且易于微型化,但大多是以流阻差为原理,因此依然存在工作效率低、气流脉动大且气体泵送量小等缺点。针对现存在的技术问题、提高压电气泵的输出性能,基于合成射流原理设计了一种合成射流式压电气泵,通过理论和仿真分析得到内部流体工作时的流场分布情况,并通过实验探究了泵的结构参数、频率以及电压对流量的影响规律。结果表明,当泵在峰峰值为100 V、频率为6.075 kHz的正弦信号激励下,最佳结构参数下泵的输出流量最大可达329 mL/min。与其他压电气泵相比,该泵具有更小的体积,更高的工作频率和更稳定的流量输出。

采用合成射流作为主动控制手段,对自由空间中D型体尾流的控制机理和气动减阻进行了数值仿真.合成射流布置在D型体垂直背上下缘处并同时作用,射流方向与来流方向平行,频率从40 Hz变化到500 Hz.结果表明,在整个频率范围内都实现了减阻.在低频激励(65 Hz)作用下,尾流上下两侧剪切层趋于同步化,汇合位置延后,卡门涡街强度减弱;在高频激励(500 Hz)作用下,伴随着整流,剪切层向内偏转,尾流夹带现象减弱,回流区略延长.卡门涡街的抑制对于钝体尾流的形成以及减阻效果有着显著的影响.

以简化准三维模型D型钝体为研究对象,通过数值仿真手段,利用零质量合成射流器理论进行了D型体主动流动控制和主被动结合的流体控制研究发现,在尾部分离点进行射流控制时,高频射流有助于钝体减阻,减阻效果可以达到1.78%。主被动结合的锯齿和射流加强了尾迹三维流动结构,破坏了准三维模型的展向流动结构,使得减阻效果较好。采用主被动结合控制的射流为低频和高频时减阻效果为20.86%和21.20%。

为了提高微型泵输出流量以及获得连续出流能力,设计了一种基于合成射流原理的无阀气体压电泵。首先,分析了压电气泵的工作原理,测试了压电振子的振幅;其次,利用CFX软件对无阀气泵进行仿真分析,得到压电气泵在0T,1/4T,2/4T和3/4T时刻的气体流速分布,以及容腔高度、泵腔高度、射流孔直径和出口直径对气泵流量的影响规律;最后,制作了无阀气体压电泵的实验样机。测试结果表明,当无阀压电气泵在驱动电压为120V、驱动频率为400Hz、容腔高度为0.1mm、泵腔高度为1.4mm、射流孔直径为1.3mm和出口直径为2mm时,泵输出气体流量为1800ml/min左右,实验与仿真分析基本吻合。该气泵能输出较大气体流量并具有连续出流的能力。

研究吸力面存在合成射流的情况下钝尾缘翼型TR-4000-2000流场结构的变化及其升阻力系数等气动特性参数的变化趋势。在相同射流入口速度条件下采用计算流体力学软件Fluent对相同来流速度不同攻角情况下翼型流场进行非定常数值模拟计算分析射流前后翼型升阻力系数变化及翼型表面压力的波动状况;在此基础上对不同射流频率和不同射流速度情况下翼型流场进行模拟计算寻求最佳射流参数。结果表明由于射流及尾缘涡的相互作用导致翼型的升阻力特性不断变化钝尾缘翼型吸力面合成射流有明显的增升减阻效果在15°攻角时尤为明显升力系数提高约40%阻力系数减小约25%。在量纲一射流速度和量纲一射流频率均为1时射流对翼型的增升减阻效果最佳。