多孔式合成射流壓電風扇仿真分析與試驗

王建濤 高銘澤 祝 健 王啟智 李 昊

燕山大學車輛與能源學院,秦皇島,066004

0 引言

自1975年第一份有關壓電泵的研究報告公布以來,采用形狀記憶合金、壓電陶瓷、電活性聚合物、鐵電聚合物、離子聚合物金屬復合材料和導電聚合物等新型智能材料驅動的流體驅動器受到了國內外學者的廣泛研究,它們在航空航天、機器人和生物醫學等領域均有廣泛的應用[1]。其中以壓電陶瓷為驅動元件的流體驅動器具有結構簡單、功耗低、精度高、無電磁干擾、易于實現結構上的微小化與集成化等優點,故適用范圍廣,現已逐步應用于生物化學、醫療健康、燃料電池、智能電子設備等領域[2-5]。

根據驅動對象的不同,壓電流體驅動器可以分為壓電液體驅動器[6]和壓電氣體驅動器[7]。與壓電液體驅動器相比,對壓電氣體驅動器的研究較少較晚,在研制小體積高性能壓電氣體驅動器方面仍有很多技術問題亟待解決。然而,壓電氣體驅動器在醫用電子血壓計、微型燃料電池氣體循環系統、主動流控制激勵器、微電子系統冷卻等方面均有廣泛的需求。由于氣體和液體在壓縮性、黏度、密度和流動性質等方面存在較大差異,故不能簡單地將壓電液體驅動理論和方法直接用于研發壓電氣體驅動器,且在小尺度環境下實現氣體高效驅動的技術難度更大。

在探索研制高性能壓電氣體驅動器的道路上,國內外學者進行了積極研究。根據有無閥片結構,可以進一步將壓電氣體驅動器分為有閥式[7-8]和無閥式[9-13]兩類。有閥式壓電氣體驅動器利用壓電致動器的振動位移產生周期性容積變化量,同時借助入口和出口處的單向閥控制實現氣體單向驅動。無閥式壓電氣體驅動器的形式較為多樣,如撲翼式壓電風扇、超聲行波壓電氣泵、聲駐波壓電氣泵、合成射流壓電氣泵等,此類壓電氣體驅動器通過某種物理作用或效應來實現對氣體的驅動,具有結構簡單、易于集成、原理新穎、形式多樣等特點。其中,合成射流壓電氣體驅動器利用合成射流原理向流場中輸入動量進而驅動氣體產生定向流動,近些年在主動流場控制和微電子系統散熱領域得到了廣泛的研究和報道[14-16]。為了提高合成射流壓電氣體驅動器的性能,LI等[17]提出了一種帶有花瓣形進氣通道的合成射流壓電氣泵,通過優化設計花瓣形進氣通道大幅提高了系統性能。LIU等[13]采用雙腔串聯的方法提高合成射流壓電氣泵的氣體驅動性能,并通過與單腔合成射流壓電氣泵的對比試驗驗證了該方法在提高系統性能方面的有益效果。針對傳統合成射流控制環境適應性差和能量利用效率不高的問題,羅振兵等[18]提出了基于系統論的能量綜合利用和氣體增壓原理的合成射流激勵器設計思想,設計了單膜雙腔雙口合成射流激勵器,充分利用了壓電振動膜的雙向振動能量。同時,對采用單激勵源的多孔合成射流激勵器進行了研究,將其應用于散熱方向可以大大增大散熱面積和散熱的均勻性。KIM等[19]采用揚聲器作為激勵源設計了雙孔式合成射流激勵器,并用數值模擬與流場可視化技術分析雙孔合成射流激勵器的不同射流孔氣體射流之間的作用關系。采用單激勵源多射流孔的結構可以提高合成射流激勵器的能量轉化效率,進而提高自身性能。以上研究表明,為提高合成射流壓電氣體驅動器性能,研究人員在系統結構優化方面研究較多,但是在提高單個壓電換能器能量利用率方面研究較少,而這正是實現高性能壓電氣體驅動器小型化的重要途徑。

綜合分析上述壓電氣體驅動器與合成射流激勵器的研究進展,本文設計一種采用晶片型壓電換能器激勵高強聲場,并誘導氣體產生定向流動的多孔式合成射流壓電風扇,簡稱多孔壓電風扇。利用壓電換能器的高階振型匯聚換能器的輻射聲能,在壓電換能器的中心區域形成高強聲場,并在該區域上方平行布置多孔射流板和多孔擋流板,提高壓電換能器輻射聲能的綜合利用效率,實現大流量氣體驅動。重點研究多孔壓電風扇射流孔分布對氣體驅動性能的影響規律,探究壓電換能器超聲近聲場能量的綜合利用方法。

1 結構及工作原理

多孔壓電風扇利用自身機械結構將壓電換能器的輻射聲能轉化成氣體動能,系統可以實現“電能-聲能-流體動能”連續地能量轉化,完成高效氣體驅動。為了驗證多孔壓電風扇的氣體驅動性能,并且提高試驗效率,特設計一種可拆解式的多孔壓電風扇試驗裝置,如圖1所示。多孔壓電風扇試驗裝置主要由換能器基座、壓電換能器、射流板基座、射流板、擋流板基座、擋流板和蓋板等部件組成。壓電換能器的周邊與換能器基座固定連接,射流板基座上設計有射流板安裝限位槽,射流板安裝在射流板基座的限位槽中,擋流板安裝在擋流板限位座中。當螺釘將蓋板與換能器基座緊固連接時,多孔壓電風扇試驗裝置各配件之間會相互壓合固定。在射流板上設計有一個或多個射流孔,同樣在擋流板上設計有一個或多個出流口,各個射流孔與出流口位置一一對應且分別處在同一軸線上。

圖1 壓電風扇總體結構

多孔壓電風扇利用壓電換能器激勵產生超聲強聲場,其近聲場空氣層在高頻聲場作用下發生振蕩并激勵氣體形成單向流動,系統工作原理如圖2所示。壓電換能器在高頻交變電壓的驅動下產生振動并向外輻射高頻超聲波,激勵聲流換能層中的空氣發生振蕩。在壓電換能器聲波輻射面上方,輻射聲能集中在換能器中心區域,同時在該區域的射流板和擋流板上設置射流孔和出流口。空氣質點在射流孔中往復運動,在剪切作用下,射流孔邊緣部位的空氣質點發生分離而向射流孔上方產生氣體射流。根據合成射流原理,可知該氣體射流會成對形成旋渦并卷吸射流層中空氣,進一步在擋流板出流口處獲得更大的氣體射流。多孔壓電風扇在上述工作過程中,以向周圍環境輸入動量的形式驅動空氣產生定向流動,具有氣體流量大的特點。本文研究的多孔壓電風扇無需利用壓電振子的變形來產生容積變化以驅動氣體流動,而是利用壓電換能器的輻射強聲場激勵空氣質點往復振蕩,實現多個射流孔同步產生氣體射流,具有體積小、系統輸入能量密度大以及能量利用率高等特點。

圖2 壓電風扇工作原理

2 多孔壓電風扇仿真分析

2.1 電聲換能特性分析

壓電換能器是一種常用的電聲能量轉換器件,可以在交變電場的驅動下向周圍媒介輻射聲波而形成強聲場。本文研究的多孔壓電風扇采用晶片型壓電換能器,它主要由壓電陶瓷、聚酰亞胺膜、銅電極和鋁合金匹配層粘接而成,如圖3所示。晶片型壓電換能器的結構簡單且厚度較小,適合構造小型氣體驅動器。

圖3 壓電換能器結構

(a)第一階諧振

圓形壓電換能器的周邊與換能器基座采用膠水粘接固定,對壓電陶瓷晶片施加正弦波驅動信號,壓電換能器發生往復振動并向周圍空氣介質輻射聲波。壓電換能器的厚度較小而近似于一個圓形薄板,其第一階和第六階振型為中心對稱結構,輻射聲場的能量集中在中心區域,適于驅動多孔壓電風扇。首先建立壓電換能器的物理模型,利用商用軟件Comsol Multiphysics對壓電換能器進行振動模態仿真分析。對壓電陶瓷施加交變電壓信號并獲得壓電換能器的第一階和第六階振動模態,如圖4所示。復合層壓電換能器的第一階諧振頻率為1753.9 Hz,第六階諧振頻率為20 807 Hz。與第一階諧振頻率相比,壓電換能器的第六階諧振頻率較高且在超聲頻率范圍內,系統工作無噪聲且輻射聲場的能量密度更高。為構造一個超聲輻射聲場,本文選擇壓電換能器的第六階振型作為多孔壓電風扇的聲場激勵源。

(b)第六階諧振圖4 壓電換能器的振動模態

進一步利用Comsol Multiphysics軟件對壓電換能器的輻射聲場進行仿真分析,建立壓電換能器聲場仿真分析的幾何結構模型,如圖5所示。壓電換能器的鋁合金匹配層與無邊界的空氣域接觸,完美匹配層用于模擬聲波在遠離聲源傳播過程中被吸收的情況。對壓電換能器施加正弦波電壓信號,在驅動電壓Vpp為60 V且驅動頻率為20 807 Hz的正弦波電壓信號驅動下,壓電換能器獲得第六階諧振狀態,此時換能器輻射聲場情況如圖6所示。結果顯示,壓電換能器的輻射聲場與其自身振型直接相關,在其振幅最大處輻射聲場的聲壓最強,使得聲能集中在壓電換能器振幅最大的中心區域,為多孔式合成射流壓電風扇提供高效的聲場激勵。

圖5 聲場仿真模型幾何結構

圖6 總聲壓切面圖

2.2 流場分析

多孔壓電風扇采用多射流孔結構提高自身能量利用效率,而各射流孔之間存在著相互擾動作用,影響各自的氣體驅動效果。本文利用FLUENT流場仿真分析軟件對多孔壓電風扇的氣體驅動過程進行仿真分析,找到射流孔分布對多孔壓電風扇氣體驅動性能的影響規律。首先根據多孔壓電風扇的結構和幾何參數,在FLUENT軟件中建立流場域仿真分析幾何結構模型并劃分網格,如圖7所示。為了保證計算精度,對射流孔和出流口的網格進行加密處理并通過網格無關性驗證,網格數約為56萬。多孔壓電風扇的部分幾何結構參數參考課題組的前期研究成果[20],壓電風扇聲流換能層高度為0.1 mm,射流層高度為1.35 mm,射流孔直徑為0.2 mm,出流口直徑為0.7 mm。射流孔均勻分布在射流板的中心截面內,射流孔的數量分別取1、3、5、7、9,射流孔的數量越多說明射流孔的布置越密集。

圖7 流場域網格圖

仿真計算過程中,壓電換能器對壓電風扇的激勵采用位移函數表示,該位移函數包含時間t和空間位置坐標(x,y)兩個維度的變量。壓電換能器在oxy平面內,振動方向為z軸方向,采用的函數表達式為

s(t,x,y)=Ag(x,y)sin(2πft)

(1)

式中,A為壓電換能器振幅;f為換能器振動頻率;R為換能器的有效半徑。

對式(1)進行微分得到壓電換能器的振動速度表達式:

v(t,x,y)=2πfAg(x,y)cos(2πft)

(2)

將壓電換能器的振動速度函數添加到流場域振動激勵邊界,由此模擬在換能器激勵下形成的氣體射流。壓電換能器的振動頻率f取20 807 Hz,振幅A設為0.24 μm,有效半徑R為9 mm。應用FLUENT流場仿真軟件分析得到壓電風扇的氣體出流口上方的速度云圖,采用三維瞬態計算方式,湍流模型為k-ε模型,時間步長為6×10-7s。壓電換能器的振動周期為T,計算得到多孔壓電風扇驅動氣體0.5T時刻的流場速度云圖,見圖8。隨著射流孔數量的增大,單個射流孔的氣體驅動能力有所下降,但多個射流孔的整體氣體驅動能力累加效果得到加強,這說明多孔射流方案可以有效提高壓電換能器輻射聲場能量的綜合利用效率。

(a)單孔 (b)三孔

(c)五孔 (d)七孔

3 試驗測試與分析

多孔壓電風扇氣體流速測試系統如圖9所示。主要試驗儀器包括信號發生器(RIGOL DG1022Z)、功率放大器(AIGTEK ATA2021H)、示波器(RIGOL DS1054Z)和熱線式風速計(臺灣泰仕TES-1341N)等。信號發生器和功率放大器為多孔壓電風扇提供電壓和頻率可調的正弦波驅動信號,多孔壓電風扇驅動氣體的流速由熱線式風速計測量,測量精度為0.01 m/s。壓電風扇由出流口向外噴射氣體,氣體流速隨著遠離出流口而降低。壓電風扇氣體流速測試過程中,將風速計的測試端布置在出流口上方20 mm處。

圖9 樣機測試系統

3.1 單孔壓電風扇性能對比試驗

由壓電換能器的聲場仿真分析結果可知,在第六階振型下壓電換能器中心區域的輻射聲壓最大,而周邊區域聲壓逐漸減小,由此可以推斷射流孔的布置位置會對壓電風扇性能產生直接影響。為驗證射流孔的布置位置對壓電風扇的氣體驅動性能的影響,選擇不同射流孔位置參數的壓電風扇樣機進行相應的對比試驗。當射流孔處于以射流板中心為圓心、半徑為r的圓環上時,則稱此射流孔為中心距r射流孔,如圖10所示。當r=0時,射流孔位于射流板的中心,隨著r值的增大,射流孔向射流板的周邊移動。

圖10 射流孔位置示意圖

首先,選擇不同的射流孔和出流口布置位置(r分別取0、2 mm、4 mm、6 mm、8 mm)制作射流板和擋流板,進而制作相應的單孔壓電風扇試驗樣機并測試其性能。設定單孔壓電風扇的驅動電壓Vpp為60 V,利用風速計測試不同驅動頻率下壓電風扇出流口上方的氣體流速,試驗結果如圖11所示。中心區域開孔(r=0)的壓電風扇氣體驅動性能最佳,且隨著射流孔位置遠離中心區域,壓電風扇的氣體流速逐漸降低。這說明單孔壓電風扇的氣體射流強度與射流孔位置之間存在密切關系,在輻射聲壓最大的中心區域上方設置出流口,壓電風扇的氣體射流強度最大。該試驗同時說明,壓電換能器在驅動頻率為20.4 kHz時達到第六階諧振狀態,壓電風扇的氣體驅動能力最強,對于r為0、2 mm、4 mm、6 mm和8 mm的5種樣機,壓電風扇的最大風速分別為1.9 m/s、1.59 m/s、1.32 m/s、0.88 m/s和0.36 m/s,其中心區域輻射聲場最強,遠離中心區域的聲場強度相對減弱,但仍有較強的氣體驅動能力。若在射流板和擋流板上設置多個射流孔和出流口,則可以實現壓電換能器輻射聲能的綜合利用,提高多孔壓電風扇的氣體驅動能力。

圖11 單孔壓電風扇性能曲線

3.2 多孔壓電風扇性能對比試驗

壓電換能器作為面聲源向其周圍輻射聲波,壓電風扇通過采用多孔出流的方式來提高壓電換能器輻射聲能的利用率。由多孔壓電風扇的流場仿真分析結果可知,射流孔的布置密度對壓電風扇的氣體驅動性能有直接影響,合理選擇射流孔的布置密度將大幅提高多孔壓電風扇的氣體驅動性能。

在前面單孔壓電風扇性能試驗基礎上,制作具有不同射流孔布置密度的多孔壓電風扇試驗樣機。射流孔在射流板上的特定區域內采用等間距均勻布置,射流孔的具體分布規律如圖12所示。在以射流板中心為圓心、直徑d=16 mm的圓內開設不同數量的射流孔,并且各相鄰射流孔之間采用等間距均勻排布方式,同時以直徑d=16 mm的圓內射流孔的數量N來表示射流孔在射流板上的布置密度。為了獲得射流孔布置密度對多孔壓電風扇氣體驅動性能的影響規律,下面分別制作N為5、9、13、21、57、89、137和221共8類多孔壓電風扇樣機,并對這8類樣機進行性能測試。

圖12 射流孔分布規律

設定驅動電壓Vpp為60 V,對上述8類樣機進行氣體驅動性能測試,結果如圖13所示。結果顯示,隨著單位面積上射流孔布置密度的增加,多孔壓電風扇出流口上方的氣體射流速度先增大后減小,存在最佳的射流孔布置密度。試驗測得,8類樣機中的89孔壓電風扇的性能最佳,當驅動頻率為20.4 kHz時,其驅動氣體的最大流速為3.7 m/s。試驗結果說明,采用多射流孔方案可以提高壓電換能器的聲能利用效率,進而提高壓電風扇的氣體驅動性能,但過大的射流孔布置密度會抑制多孔壓電風扇的氣體驅動性能。存在最優的射流孔布置密度,使多孔壓電風扇的氣體驅動性能最佳。

圖13 多孔壓電風扇性能曲線

3.3 壓電風扇電壓特性試驗

驅動電壓直接影響壓電換能器的輻射聲場的強度,并進一步影響壓電風扇的氣體驅動能力。在上述單孔和多孔壓電風扇性能測試試驗基礎上,選擇中心開孔的單孔壓電風扇,以及57孔和89孔的多孔壓電風扇,分別進行電壓特性試驗。

首先保持驅動頻率為20.4 kHz,改變壓電換能器的驅動電壓,測得不同驅動電壓下壓電風扇的氣體流速曲線,如圖14所示。隨著驅動電壓的增大,壓電風扇驅動氣體的流速逐漸增大。在驅動電壓Vpp為90 V、驅動頻率為20.4 kHz時,中心開孔的單孔壓電風扇的氣體流速為2.2 m/s,57孔壓電風扇的氣體流速為4.1 m/s,89孔壓電風扇的氣體流速為4.7 m/s。

圖14 壓電風扇電壓特性曲線

4 結論

基于合成射流原理的壓電超聲氣體驅動器具有能量密度高的特點,為提高其聲能利用效率,提高壓電氣體驅動器的氣體驅動性能,提出一種采用晶片型壓電換能器激勵高強聲場并誘導氣體產生定向流動的多孔壓電風扇,對其輸出特性進行仿真與試驗研究,具體結論如下:

(1)壓電換能器可產生超聲頻率的強聲場,在驅動頻率為20 807 Hz的正弦波電壓信號驅動下,壓電換能器獲得第六階諧振狀態,其中心區域振幅最大且聲場最強,可使聲能集中在壓電換能器的中心區域,為多孔式合成射流壓電風扇提供高效的聲場激勵。

(2)單孔壓電風扇的射流孔布置位置對壓電風扇的氣體驅動性能有直接影響,隨著射流孔遠離中心,壓電風扇的性能逐漸下降;試驗測得,中心開孔的單孔壓電風扇在90 V電壓驅動下,其驅動氣體流速達到2.2 m/s。

(3)采用多個射流孔的設計可以有效提高壓電風扇的氣體驅動性能,隨著射流孔數量的增大,壓電風扇的氣體驅動性能先提高后降低,存在最佳的射流孔布置密度使多孔壓電風扇的氣體驅動性能最佳;試驗測得89孔壓電風扇在90 V電壓驅動下,其驅動氣體流速達到4.7 m/s。