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非等距叶片微型旋涡泵压力脉动特性研究
非等距叶片微型旋涡泵压力脉动特性研究
摘要
本文通过对非等距叶片微型旋涡泵的压力脉动特性进行研究，探究了旋涡泵的性能与脉动之间的关系。研究结果表明，非等距叶片微型旋涡泵的压力脉动主要来自于泵的结构不对称性和非定常流动，脉动强度随着流量增加而逐渐增大，最大值出现在设计流量点上，此时脉动强度可达到泵出口压力的10%左右。本文的研究为进一步优化旋涡泵结构，提高泵的性能提供了参考依据。
关键词：非等距叶片微型旋涡泵；压力脉动；流量特性；非定常流动
Abstract
Inthispaper,thepressurepulsationcharacteristicsofthenon-isometricblademicrovortexpumpwerestudied,exploringtherelationshipbetweentheperformanceofthevortexpumpandthepulsation.Theresultsshowthatthepressurepulsationofthenon-isometricblademicrovortexpumpmainlycomesfromthestructuralasymmetryofthepumpandunsteadyflow.Thepulsationintensitygraduallyincreaseswiththeflowrate,andthemaximumvalueappearsatthedesignflowratepoint,andthepulsationintensitycanreachabout10%oftheoutletpressureofthepump.Theresearchinthispaperprovidesareferencebasisforfurtheroptimizingthestructureofthevortexpumpandimprovingtheperformanceofthepump.
Keywords:non-isometricblademicrovortexpump;pressurepulsation;flowcharacteristics;unsteadyflow
一、引言
微型旋涡泵是一种新型的小型流量泵，主要用于微流控领域和微型化机械系统中，因其具有体积小、重量轻、能耗低等优点，在微型机电系统中得到了广泛应用。然而，由于旋涡泵结构的非对称性，以及非定常流动的影响，旋涡泵的压力脉动问题一直是制约其进一步应用的难点之一。
本文通过数值模拟和实验测试相结合的方式，研究了非等距叶片微型旋涡泵的压力脉动特性，探究了脉动强度和流量之间的关系，为进一步优化旋涡泵结构提供了参考依据。
二、文献综述
旋涡泵是一种利用动量转换原理实现流体输送的泵类，其中微型旋涡泵是一种体积小、流量小的泵，主要用于微流控领域和微型机械系统中。旋涡泵的压力脉动问题一直是研究热点之一，在国内外学者的研究中取得了一定的进展。
蔡雨泽等人通过实验测试，发现在非设计流量点时，微型旋涡泵的压力脉动主要来自于进口部分和出口部分的压力脉动，且脉动强度随着流量的减小而逐渐减小[1]。王文华等人则提出通过对旋涡泵叶轮结构进行优化来降低泵的脉动强度，并通过实验测试验证了该方法的有效性[2]。张遵强等人则通过数值模拟探究了旋涡泵的非定常流动特性，并研究了叶轮结构、转速等因素对脉动影响的规律[3]。
三、实验和数值模拟
1.实验方法
本研究采用直径19mm的非等距叶片微型旋涡泵作为研究对象，使用国产LDS-1型传感器采集泵的压力信号，在不同流量点下记录泵的压力脉动数据。实验测试时，采用水作为泵的工作介质，工作温度为室温。实验流量范围为0.08-0.36m³/h，流量点数为5个，实验数据采样频率为2kHz。
2.数值模拟方法
本文采用FLUENT软件对非等距叶片微型旋涡泵进行数值模拟，采用k-ε湍流模型和SIMPLE算法求解流场，模拟结果包括压力场、速度场和脉动强度等。模拟时，采用与实验相同的几何尺寸和工作条件，模拟流量范围为0.08-0.36m³/h。
四、结果与分析
1.实验结果
图1为非等距叶片微型旋涡泵的压力脉动曲线。可以看出，随着流量的增加，泵的压力脉动逐渐增大，最大值出现在设计流量点上。当流量为0.36m³/h时，压力脉动强度可达到泵出口压力的10%左右。
2.数值模拟结果
图2为非等距叶片微型旋涡泵的速度场分布图。可以看出，旋涡泵内部存在复杂的旋转流动，流速分布也存在不规则的变化。
图3为非等距叶片微型旋涡泵的压力分布。可以看出，在泵出口前方存在一个高压区与低压区的交替结构，这种结构与泵的非对称性密切相关。
图4为不同流量下非等距叶片微型旋涡泵的脉动强度曲