The calculation of fluid leaks in the peristaltic hydraulic machine

Cover Page


Cite item

Full Text

Abstract

Background: In the peristaltic pumps, a significant gap can remain in the compressed working body, and therefore, unlike other positive-displacement hydraulic machines, volumetric losses may significantly affect the actual flow rate of the pump. The gap’s shape is determined by approximate dependencies or by numerical methods, but both of these approaches have their own drawbacks.

Objecive: Determination of the parameters of the gap in the compressed pump’s hose and calculation of fluid leaks in the pump using both theoretical dependencies and numerical methods.

Methods: The object of this study is a peristaltic pump that uses a hose compressed by two rollers. The theoretical flow rate was determined according to the existing theory of positive-displacement hydraulic machines, with the rotor velocity and the volume of the working chambers. It was assumed that the hose in the pump body has the shape of a torus, and the SolidWorks Simulation software product was used to determine the shape of the gap in the compression region and the amount by which the volume inside the hose decreases due to compression by the roller. The resulting geometry of the deformed hose was transferred to the STAR-CCM+ computational fluid dynamics software, where the velocity field in the gap and the dependence of the gap resistance coefficient on the Reynolds number were obtained. For the final determination of leaks in the gap, the Weisbach formula for local losses in the gap and the Darcy-Weisbach formula for friction losses along the length of the pump hose were used. The Darcy coefficient was calculated assuming that the flow in the pump hose is laminar.

Results: Comparison of the calculation results with the experimental dependencies showed that the proposed leaks calculation method in the pump can be used at laminar flow and rotation velocities of the pump rotor not less than 100 rpm.

Conclusions: The usage of theoretical dependencies and numerical methods to determine the gap’s parameters and to calculate leaks in the pump has shown its effectiveness, but for more accurate results, it is necessary to take into account additional factors, as the flow in the pump is non-stationary.

About the authors

Sergey N. Cherkasskikh

National Research University «Moscow Power Engineering Institute»

Author for correspondence.
Email: CherkasskikhSN@mpei.ru
ORCID iD: 0000-0001-6695-0162
SPIN-code: 4395-4959

Cand. Sci. (Engineering), Associate Professor, Associate Professor of the Hydromechanics and Hydraulic Machines Department named after V.S. Kvyatkovsky

Russian Federation, 14 bldg 1 Krasnokazarmennaya st, Moscow, 111250

Vladimir V. Fedenkov

National Research University «Moscow Power Engineering Institute»

Email: FedenkovVV@mpei.ru
ORCID iD: 0009-0006-2708-3100
SPIN-code: 4422-7978

Dr. Sci. (Engineering), Associate Professor, Professor of the Hydromechanics and Hydraulic Machines Department named after V.S. Kvyatkovsky

Russian Federation, 14 bldg 1 Krasnokazarmennaya st, Moscow, 111250

References

  1. Takagi D, Balmforth NJ. Peristaltic pumping of viscous fluid in an elastic tube. Journal of Fluid Mechanics. 2011;672:196–218. doi: 10.1017/S0022112010005914
  2. Forouzandeh F, Arevalo A, Alfadhel A, et al. A review of peristaltic micropumps. Sensors and Actuators A: Physical. 2021;326. doi: 10.1016/j.sna.2021.112602
  3. Hostettler M, Grüter R, Stingelin S, et al. Modelling of Peristaltic Pumps with Respect to Viscoelastic Tube Material Properties and Fatigue Effects. Fluids. 2023;8,254. doi: 10.3390/fluids8090254
  4. Grishin AI, Sheypak AA, Chicheryukin VN. Opredelenie koefficienta poleznogo dejstviya peristal’ticheskogo nasosa linejnogo tipa. Izvestiya MGTU «MAMI». 2015;3(25):22–32. (In Russ.)
  5. Pigache F, Coutant L, Pernod L, Fontaine JM. Peristaltic pumping by huge amplitude piezoelectric traveling wave actuator. 2021 IEEE International Workshop of Electronics, Control, Measurement, Signals and their application to Mechatronics (ECMSM). 2021:1–6. doi: 10.1109/ECMSM51310.2021.9468866
  6. Petrov VА. Razrabotka metoda proektirovaniya mikronasosov dlya sistem kul’tivirovaniya kletok: dis. ... kand. tekhn. nauk. Moscow. 2017. (In Russ.)
  7. Kopica RV, Globin AN. Utochnyonnaya metodika rascheta shlangovogo vakuumnogo nasosa i pokazateli ekonomicheskoj effektivnosti ego primeneniya. Vestnik agrarnoj nauki Dona. 2016;4(36):60–68. (In Russ.)
  8. Kopica RV. Obosnovanie parametrov i rezhimov raboty vakuumnogo nasosa peristal’ticheskogo tipa: dis. ... kand. tekhn. nauk. Zernograd. 2017. (In Russ.)
  9. Kuskova MA. Gidravlicheskie harakteristiki peristal‘ticheskih nasosov. Neftyanoe hozyajstvo. 2008;1:104–106. (In Russ.)
  10. Grishin AI. Method for calculating the characteristics of a linear type peristaltic pump with incomplete compression of the working member. Izvestiya MGTU «MAMI». 2018;3:21–31. (In Russ.) doi: 10.17816/2074-0530-66823
  11. Grishin AI. Influence of the cross-sectional shape and length of the compressible sections on the characteristics of a linear peristaltic pump. Izvestiya MGTU «MAMI». 2021;2(48):9–17. (In Russ.) doi: 10.31992/2074-0530-2021-48-2-9-17
  12. Ahamed M, Atique S, Munshi M, Koiranen T. The Fluid Structure Interaction of a Peristaltic Pump: Basics and Analysis, American Journal of Engineering Research. 2016; 5, Issue 12:155–166.
  13. Lepeshkin AV, Mihajlin AA. Gidravlika mashinostroitel’nyh gidrosistem: uchebnik. Moscow: izd. CKT Publ., 2013. (In Russ.)
  14. Peristaltic dosing pump. Peristaltic PR – 2003. URL: http://www.simas.ru/products/microbiology/speceq/peristalticpump/d/
  15. Peristaltic pumps ELRO IP100. URL: https://pumpunion.ru/pump/elro-ip100/

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
2. Fig. 1. Scheme of a pump and its main elements: 1 — housing, 2 — hose, 3 — working chamber, 4 — rollers, 5 — pump outlet, 6 — pump inlet.

Download (209KB)
3. Fig. 2. Main dimensions of the pump: d — hose inner diameter, D — hose outer diameter, dр — diameter of the roller, Lн — length of the linear part of the pump hose near the pump outlet.

Download (208KB)
4. Fig. 3. Leaks in the pump.

Download (49KB)
5. Fig. 4. Pump hose compression by the roller: d — hose inner diameter, dр — roller diameter, lр — length of the hose section, shape of which is affected by the roller.

Download (75KB)
6. Fig. 5. Velocity field in section at the distance d/4 from the plane of symmetry of the pump hose.

Download (684KB)
7. Fig. 6. Velocity field in the plane of symmetry of the pump hose.

Download (715KB)
8. Fig. 7. Dependence of the gap resistance coefficient on the Reynolds number calculated based on the velocity in the hose before the gap: 1 — results of the numerical experiments; 2 — the approximating function.

Download (51KB)
9. Fig. 8. Comparison of the calculation results with the experimental data: 1 — theoretical flow rate, calculation; 2 — flow rate taking into account leaks, calculation; 3 — the experimental data.

Download (146KB)
10. Fig. 9. Comparison of the calculation results with the experimental data: 1 — theoretical flow rate, calculation; 2 — flow rate at ∆p = 0, experiment; 3 — flow rate at ∆p = 0.2 MPa, experiment; 4 — flow rate taking into account leaks at ∆p = 0.2 MPa, calculation.

Download (111KB)

Copyright (c) 2024 Eco-Vector

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».