非接触搬运吸盘系统研究EI北大核心CSCD

为解决单进气嘴气动旋涡流式非接触气爪由于型腔内气旋单一方向转动而引起的吸附不稳定性问题,提高气爪吸附性能和稳定性,设计了由6个单进气嘴气爪组成的非接触搬运吸盘装置。首先介绍了气爪的工作原理以及气爪型腔内部的流场仿真分析特性;然后根据仿真分析结果对吸盘整体结构进行了设计,并且应用3D打印快速成型技术对吸盘结构进行了加工和装配;最后对单个气爪和吸盘的供气压力—负压关系、流量关系和吸附性能的实验测量结果进行了分析,确定了吸盘的吸附性能。实验表明,当气膜间隙为0.6 mm,吸盘进气压力为0.3 MPa时,其吸附力达到7.8 N,吸盘整体转矩为4.5 N·mm,相比单个气爪的转矩9.5 N·mm减小了52.6%。     

非接触搬运吸盘系统研究

为解决单进气嘴气动旋涡流式非接触气爪由于型腔内气旋单一方向转动而引起的吸附不稳定性问题,提高气爪吸附性能和稳定性,设计了由6个单进气嘴气爪组成的非接触搬运吸盘装置。首先介绍了气爪的工作原理以及气爪型腔内部的流场仿真分析特性;然后根据仿真分析结果对吸盘整体结构进行了设计,并且应用3D打印快速成型技术对吸盘结构进行了加工和装配;最后对单个气爪和吸盘的供气压力—负压关系、流量关系和吸附性能的实验测量结果进行了分析,确定了吸盘的吸附性能。实验表明,当气膜间隙为0.6 mm,吸盘进气压力为0.3 MPa时,其吸附力达到7.8 N,吸盘整体转矩为4.5 N·mm,相比单个气爪的转矩9.5 N·mm减小了52.6%。     

旋涡流非接触气爪结构优化设计

为提高单进气嘴非接触气爪的吸附性能和气爪结构加工的方便性,根据气爪型腔内部流场特性和3D打印原理,提出了一种基于3D打印技术的旋涡流气爪结构优化设计方案。基于对非接触气爪工作原理的理论分析和气爪型腔内部流场特征的仿真研究,以提高气爪吸附性能为目的对气爪型腔结构进行优化设计,应用3D快速成形加工技术加工出通过仿真计算设计的气爪结构模型。实验结果表明：优化后的气爪型腔产生的负压比优化前负压增大一倍,气爪的吸附力提升57%,在气爪加工方面,采用3D打印技术比传统的机械加工技术更具便捷性,且气爪型腔内部复杂结构更容易被加工出来。     

基于Mixture模型泡沫发生器气液两相流数值模拟

为提高泡沫发生器发泡效果,优化泡沫发生器内部结构设计,采用流体仿真技术对泡沫发生器内部流场进行数值模拟,分析速度、压力以及气相体积分布,研究不同进气方式以及挡板高度对泡沫发生器内部流场影响,结果表明:中心进气式泡沫发生器内部气液混合均匀程度优于边缘进气式泡沫发生器,内部压力损失比边缘进气式大;在泡沫发生器内部增设挡板有利于增强泡沫发生器内部的气液两相混合均匀程度,随着挡板高度的增加,气相和液相混合越均匀,但会增大泡沫发生器内部压力损失,其研究结果对泡沫发生器结构的优化设计提供理论依据。     

带气环旋喷射流流场特征及喷嘴结构正交优化研究

为提高二/三重管法旋喷射流切割土体效率,采用Mixture多相流模型和RNG κ-ε湍流模型,开展了淹没环境下带气环旋喷射流流动模拟研究,获得了射流速度、气液两相体积分布、靶体作用压力等流场特征,并基于L₁₆(4⁵)正交试验设计及误差分析方法,获得了旋喷射流喷嘴关键结构参数对射流速度及其作用靶体压力的影响敏感程度与影响规律。结果表明：带气环旋喷射流能量衰减慢且集中在轴心区域,射流等速核心段长,冲击破坏土体性能好;喷嘴结构参数对射流冲击性能的影响敏感次序为：射流喷嘴出口直径>收敛角>气体喷嘴直径>气液喷嘴间距>射流喷嘴长径比;射流轴心速度及其作用靶体压力随出口直径和气体喷嘴直径的增大呈先快速增加后缓慢增加趋势,随收敛角、长径比、气液喷嘴间距的增大呈先增加后降低趋势。基于此,考虑旋喷射流设备性能,给出了最优结构参数为：射流喷嘴出口直径2.0 mm,收敛角12°或18°,长径比1,气体喷嘴直径0.9 mm,气液喷嘴间距5 mm。     

基于动网格的齿轮箱内部流场数值模拟

基于不可压缩流体控制方程和RNG(Renormalization-group)k-ε湍流模型,对油浴润滑的齿轮箱内部流场进行动态数值模拟。利用VOF(Volume of Fluid Model)法追踪自由液面,采用PISO(Pressure-Implicit with Splitting of Operators)算法求解齿轮箱内部流场。基于动网格技术实现实时模拟齿轮箱内部流场的压力和气液两相流分布的变化规律。模拟结果表明:(1)通过流体数值模拟可以得到不同旋转方向下齿轮箱内部流场中的两相流分布及压力和速度动态变化,分析中出现的涡流现象对气液两相的分布有较大影响,且不同旋转方向工况下涡流分布也不同。(2)不同转速工况下齿轮箱内部两相流分布变化不明显,但压力值出现较大变化。     

水平管内以叶轮起旋的螺旋流的数值模拟

采用RNG k-ε模型对水平管内以叶轮起旋的螺旋流的流动特性进行了数值模拟研究,通过试验验证了数学模型的准确性和可靠性。研究结果表明:叶片旋流器产生的旋流场,切向速度分布具有近似Rankine组合涡结构的特点,径向速度最大值达轴向速度的0.5倍。雷诺数对旋流强度影响较大,Re数越大,旋流强度越大,且旋流强度的衰减速率越小。强旋流使轴向逆压力梯度足够大而引发轴向回流,从而产生了中心回流区域;能够增加反应介质的滞留时间,提高气液两相的传质和传热效率,促进水合物浆体快速生成,保障管道安全输送。     

亚临界雷诺数下凹坑圆柱绕流数值模拟分析及减阻性能研究

为研究非光滑圆柱绕流减阻性能,采用SST k-ω湍流模型对亚临界雷诺数R_e=40 000下凹坑圆柱绕流进行数值模拟及减阻性能研究。对凹坑深度、内部形状、分布形式进行了结构参数敏感性分析,研究各参数对凹坑圆柱绕流减阻性能的影响规律。结果表明:凹坑圆柱具有较好的绕流减阻效果;阻力系数、升力系数均随凹坑深度增加呈先减小后增大的变化趋势,且在h=0.015D时,凹坑圆柱绕流具有最佳减阻效果;圆柱形凹坑圆柱平均阻力系数为0.923,球面形凹坑圆柱平均阻力系数为0.94;菱形分布凹坑织构的圆柱绕流阻力系数平均值为0.923,矩形情况为0.973。     

导流器调节对风机性能影响的数值模拟

以M5-29型离心风机为研究对象,利用计算流体软件Fluent,对不同预旋角度下的离心风机进行数值模拟,分析风机流场及性能的变化,为改善风机运行调节提供指导。模拟结果表明:轴向导流器导叶为正预旋时,随着导叶角度β的增加,风机性能曲线向小流量区域移动,全压与效率下降,最高效率降低,高效率范围变窄,但最高效率点仍有68%;在小流量工况时,随着正预旋角度β的增加,叶轮流道内部的二次流及回流现象得到了有效改善;反预旋角度β为-30°时,气体在进入叶轮时冲击叶轮凹面(非工作面),促使风机叶轮内部产生涡流,效率降低。     

豆胶气泡雾化喷雾器的三维设计及其数值模拟

设计了一种注气内管内径渐变的高粘度豆胶气泡雾化喷雾器,并应用流体分析软件,对喷雾器内部气液两相混合流体特性及其下游雾化进行了数值模拟研究。主要模拟了喷雾器内部气液两相流的速度场分布、压力场分布并分析了模拟结果。分析表明:在设计的气泡雾化喷雾器内部,豆基蛋白胶能够与空气进行很好地混合,其内部压力场分布、速度场分布符合流体力学的运动规律。模拟结果对以后的多相流流动分析以及气泡雾化的研究具有一定的指导意义。     

低压差驱动下中等半径比内轴高旋圆柱间轴流量的数值计算

利用RSM湍流模型/标准壁面函数对低压差驱动下中等半径比内轴高旋圆柱间流场进行了数值模拟。圆柱的内半径为4.45 cm,外半径为5.25 cm,半径比为0.848,轴间距为0.8 cm,形状比分别为5,10,15,20,泰勒数比分别为500,625,750,875,1 000。模拟结果表明,RSM湍流模型/标准壁面函数对低压差驱动下中等半径比内轴高旋圆柱间流场有较强的预报能力。随着压差的增加,轴流量随之增加,随着压差的进一步增加,压力流的作用处于主导地位,压力流的增强最终导致涡胞消失,轴间流场特征主要表现为压力流。随着旋转速度的增加,内壁高旋产生的旋转效应增强,轴向压差对轴间流场的作用相对减弱,导致轴流量减少。随着形状比的增加,轴流量呈现逐步减小的趋势,而且随着形状比的进一步增加,轴流量减少的趋势变缓。     

磁流体润滑螺旋槽机械密封中的热流固耦合分析

为了研究磁流体润滑螺旋槽机械密封中的热流固耦合效应,利用ANSYS Workbench软件计算了磁流体膜的压力分布、温度分布和动环的变形量,分析了电流强度、转速和磁性颗粒体积分数对磁流体膜压力、温度和动环变形的影响。结果表明：随着电流强度、转速和磁性颗粒体积分数的升高,磁流体膜的动压、温度和密封环的热变形都增大;内径处的磁流体温度最高但压力最低,磁流体基液易汽化;动环的压力变形远小于热变形;磁流体膜的压力、磁流体膜温度的数值解大于试验值和解析值,其主要原因在于数值解考虑了密封堰和离心力对磁流体膜的影响。     

Stiffness improvement of swirl gripper based on gap height and force estimation

The swirl gripper is an electrically activated noncontact handling device that uses swirling airflow to generate a lifting force. This force can be used to pick up a workpiece placed underneath the swirl gripper without any contact. It is applicable, for example, on a semiconductor wafer production line, where contact must be avoided during the handling and moving of a workpiece to minimize damage. When a workpiece levitates underneath a swirl gripper, the gap height between them is critical for safe handling. Therefore, in this study, we develop a theoretical model of the swirl gripper, based on which a method to estimate the levitation gap height by detecting pressure at two points is proposed. Experiments indicate that the estimated gap height can track changes in actual gap height accurately in real time, when the gap height is relatively small and the inertia of airflow in the gap is negligible. In addition, the force between the gripper and workpiece can also be estimated using the detected pressure. As a result, a desired relationship between the force and gap height can be achieved by adjusting the rotating speed of the fan according to the real-time estimated force and gap height using a microcontroller. The control system was experimentally verified using a desired linear relationship. Because the stiffness of the force decreases with increasing gap height for a constant gripper fan rotating speed, the linear relationship between the force and gap height, which means a constant stiffness, is expected to enhance handling stability of workpieces.     

Viscous Flow between Rotating Concentric Cylinders with a Circumferential Pressure Gradient at Speeds above Critical

For sufficiently high speeds of the inner cylinder, the flow between concentric rotating cylinders with a circumferential pressure gradient is unstable. By considering the full nonlinear equations, the amplitude of the resulting vortex motion is computed. The effect of the vortex motion on the shear stress at the inner cylinder and the relation between the mean flow and the pressure gradient are discussed.     

转速对EHA泵柱塞副柱塞位姿及泄漏量影响仿真分析

斜轴式轴向柱塞泵作为电动静液压作动器（Electro-hydrostatic actuator,EHA）液压系统的重要元件,高转速、高工作压力是实现其小型化、轻量化的重要手段。柱塞副是斜轴式轴向柱塞泵中重要的两对摩擦副之一,对斜轴式轴向柱塞泵的工作状况起着直接影响。随着缸体转动,柱塞在缸体柱塞孔中的位姿朝着各个方向不断变化,柱塞副泄漏量也随之变化。为准确得到高速高压下柱塞副的泄漏量并给出解释,充分考虑柱塞受力情况,通过对离散化的柱塞副油膜雷诺方程和力平衡方程进行迭代求解,使用柱塞端面偏移量来确切描述了柱塞在缸体柱塞孔中的位姿随转速的变化情况,据此给出了柱塞副泄漏量模型,分析了转速变化对柱塞位姿和柱塞副泄漏量的变化的影响。结论为EHA泵的设计提供了适当的理论指导。     

APDL语言在水下夹桩器结构优化设计中的应用

水下夹桩器是一种广泛应用于海洋石油平台建设的液压夹具。在水下夹桩器设计中引入有限元分析的优化设计过程,介绍了ANSYS优化设计步骤和ANSYS参数化设计语言(APDL),并以水下夹桩器液压缸壁为研究对象,应用参数化设计语言完成了不同系列水下夹桩器液压缸壁的结构优化设计。优化后的结构特性与受力状况得到改善,设计出来的结构满足工程要求。分析结果显示,将APDL语言面向对象软件设计应用于水下夹桩器是一种有效的方法。     

双斜盘阀配流轴向柱塞式液压电机泵配流特性和变量原理的研究

提出一种有别于常规阀配流泵的"斜盘转动而缸体不动"而采用缸体和配流阀一起旋转的双斜盘阀配流轴向柱塞式液压电机泵。建立该泵配流机构的数学模型,研究各种结构参数和工作参数对配流特性的影响,尤其是配流阀芯所受离心力对配流特性的影响。以仿真模型和得出的单个柱塞腔的压力响应曲线和输出流量曲线为基础,研究该类型泵流量脉动和侧向力脉动的特点,得出随着泵的工作转速增加,流量脉动和侧向力脉动都增大,当柱塞数量足够多时,柱塞数量的奇偶性在影响流量脉动上没有明显的区别,偶数个柱塞比奇数个柱塞产生的侧向力脉动要大。提出一种新型的阀配流轴向柱塞泵的变量调节方式,并研究该变量方式的原理和调节特性。样机泵的试验结果表明该泵的工作原理可行,进而展望双斜盘阀配流轴向柱塞式液压电机泵的应用前景。     

振动挖掘系统流量控制参数分析

振动挖掘系统流量控制参数决定了振动挖掘力的特性,对振动挖掘作业效能具有重要的影响。建立了振动挖掘多连杆机构的运动学模型,推导了铲斗油缸伸长量与振动挖掘振幅的灵敏度计算公式,给出了振动挖掘力和铲斗油缸压力的求解方法,在流量控制信号输入模型中,应用傅里叶级数解决了方波、三角波振动控制信号求导问题,用数值分析方法对流量振动控制中的波形、灵敏度系数和油缸压力分布进行了分析,最后通过试验对流量振动控制模型进行了验证。     

内圆弧槽机械密封液膜流场特性分析

以内圆弧槽流体动压型机械密封为研究对象,建立了动静环端面间液膜的三维模型,运用计算流体动力学理论和有限体积法对端面间液膜的流场特性和装置的密封性能进行了模拟和数值分析。对处于不同工况、不同密封介质条件下的液膜流场,得到了其压力、泄漏量、开启力和摩擦扭矩的变化规律及相互影响关系。结果表明:圆弧槽能够产生明显的动压效应,动压效应的大小与动环转速呈正比;液膜的压力沿径向由内径到外径逐次降低;泄露量的大小随动环转速或介质压力的增大而增大;开启力的大小与动环端面的总压力具有相似的变化规律。     

Comparison of DNS and Reynolds stress modelling of flow around a rotating cylinder

The low Reynolds number stress-omega model is applied to flow associated with a rotating cylinder operating in a larger, stationary cylinder. The working fluid fills the gap between the cylinders. Direct numerical simulation data are used to test the predictions by this turbulence model. Previous work has shown that simpler models are unable to predict with reasonable accuracy the wall shear stress experienced by the rotating cylinder. The present study with a more complex turbulence model shows that the wall shear stress on the rotating cylinder is underestimated significantly. Examination of turbulence velocity fluctuation intensity distributions points to underprediction of the streamwise turbulence level and excessive values of the wall normal turbulence level. Results are given for no shear and a wall shear at the outer cylinder surface but no effect on the inner cylinder statistics was found. An examination of the Reynolds stress anisotropy tensor components highlights a significant deficiency in this parameter which is an essential component of the pressure-strain modelling of Reynolds stress models. The most significant aspect is a rapid decrease of the streamwise component of the Reynolds stress anisotropy tensor relative to the direct numerical simulation results and values which are too low for the other two components.