Μοντελοποίηση και έλεγχος ρευστοδυναμικών συστημάτων με χρήση έξυπνων υλικών

Abstract

The present PhD thesis has a key object the analysis and control of fluid dynamics systems taking advantage of the smart material properties like piezocrystals for the design of actuators. In Part I the performance of a prototype piezohydraulic pump is estimated using the Finite Element Method. The specific setup consists of a piston and two passive valves with an operating frequency greater than 100Hz. The developed Finite Element Model takes into account fluid's compressibility the limited pressure wave propagation, turbulent flow and Fluid Structure Interaction of the valves with the fluid Simulation results were used to calculate the pump's performance and a parametric optimization of valve's key parameters is performed. Much higher operating frequencies (500Hz) with improved performance is achieved. In the sequel, studies on an ideal active valve system are undertaken and control techniques of valve timing are developed Simulations revealed the potential benefit from an active valve system and also revealed the importance of accounting wave propagation phenomena, especially during resonance. In Part II, a novel fluid actuator based on the exploitation of fluid resonance is proposed. This approach allows the integration of the pump within the actuator, whereas only one high frequency valve is needed, in contrast with existing systems where two high frequency valves are needed (inlet, outlet). The novel actuator is modeled using a direct discretization of the compressible Navier Stokes equations and a state space model is derived. Along with the piezoelectric and valve flow model a complete model of the actuator is formulated. The key components of the model are verified with experimental data from a prototype actuator. Also the concept of the new actuator is proved by experimental measurements. At the last section of the thesis key aspects of the systems for further improvement of the actuator are proposed.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή έχει ως στόχο την ανάλυση και έλεγχο ρευστοδυναμικώνσυστημάτων χρησιμοποιώντας έξυπνα υλικά όπως πιεζοκρύσταλλοι για τον σχεδιασμό επενεργητών. Στο Μέρος Ι, εκτιμάται η απόδοση μιας πρωτότυπης πιεζο-υδραυλικής αντλίας με χρήση Πεπερασμένων Στοιχείων. Η συγκεκριμένη διάταξη αποτελείται από ένα έμβολο και δύο παθητικές βαλβίδες με συχνότητα λειτουργίας μεγαλύτερη των100Hz. Το αναπτυχθέν μοντέλο πεπερασμένων στοιχείων λαμβάνει υπόψιν την συμπιεστότητα του ρευστού, την περιορισμένη διάδοση του κύματος πίεσης, τυρβώδη ροή και αμφίδρομη αλληλεπίδραση ρευστού-στερεού των βαλβίδων. Με τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων υπολογίστηκε η απόδοση της αντλίας και ακολούθησε παραμετρική βελτιστοποίηση κυρίων παραμέτρων της βαλβίδας. Έτσι έγινε εφικτή η λειτουργία σε υψηλότερες συχνότητες (500Hz) με βελτιωμένη απόδοση. Στην συνέχεια, μελετήθηκε ιδεατό σύστημα με ενεργές βαλβίδες ώστε να αναπτυχθούν τεχνικές ελέγχου του χρονισμού των βαλβίδων. Οι προσομοιώσεις έδειξαν σημαντικά περιθώρια βελτίωσης με ενεργές βαλβίδες, ενώ ανέδειξαν την σημασία της διάδοσης του κύματος, ιδιαίτερα κατά τον συντονισμό. Στο Μέρος II, προτάθηκε ένας πρωτότυπος επενεργητής βασισμένος στην εκμετάλλευση του συντονισμού του ρευστού. Αυτή η προσέγγιση επιτρέπει την μηχανική ολοκλήρωση της αντλίας μέσα στον επενεργητή ενώ απαιτείται μονό μια βαλβίδα υψηλής συχνότητας σε αντίθεση με υπάρχοντα συστήματα όπου απαιτούνται δύο (εισαγωγής-εξαγωγής). Ο πρωτότυπος επενεργητής μοντελοποιήθηκε με απευθείας διακριτοποίηση των εξισώσεων Navier Stokes με συμπιεστότητα και εξήχθη ένα μοντέλο χώρου κατάστασης. Παράλληλα με το μοντέλο πιεζοκρυστάλλων και της ροής της βαλβίδας ολοκληρώθηκε το μοντέλο του επενεργητή ενώ τα βασικά στοιχεία του μοντέλου επιβεβαιώθηκαν με πειραματικά δεδομένα. Επίσης επιβεβαιώθηκε η αρχή λειτουργίας του προτεινομένου συστήματος του επενεργητή με πειραματικές μετρήσεις. Στην τελευταία ενότητα της διατριβής αναλύονται βασικά στοιχεία με στόχο την βελτίωση της λειτουργίας του επενεργητή.