Modeling and Analysis of a Micromotor with an Electrostatically Levitated Rotor

The modeling and evaluation of a prototype rotary micromotor where the annular rotor is supported electrostatically in five degrees of freedom is presented in order to study the behavior of this levitated micromotor and further optimize the device geometry. The analytical torque model is obtained based on the principle of a planar variable-capacitance electrostatic motor while the viscous damping caused by air film between the stator and rotor is derived using laminar Couette flow model.Simulation results of the closed-loop drive motor, based on the developed dynamic model after eliminating mechanical friction torque via electrostatic suspension, are presented. The effects of the high-voltage drive, required for rotation of the rotor, on overload capacity and suspension stiffness of the electrostatic bearing system are also analytically evaluated in an effort to determine allowable drive voltage and attainable rotor speed in operation. The analytical results show that maximum speed of the micromotor is limited mainly by viscous drag torque and stiffness of the bearing system. Therefore, it is expected to operate the device in vacuum so as to increase the rotor speed significantly, especially for those electrostatically levitated micromotors to be used as an angular rate micro-gyroscope.     

大间隙环流的三维动力学模型

建立了大间隙环流的三维动力学模型。该模型采用了Hirs整体流动理论和Moody壁面摩擦系数方程，考虑了壁面摩擦的影响，更为合理。该模型为进一步开展大间隙环流动力学特性研究，特别是研究壁面摩擦对大间隙环流动力学特性的影响提供了可能。     

一种低流阻表面的流动与传热特性

采用数值模拟方法对流体在有圆孔表面的流动及传热特性进行研究。研究中分别对四种不同的工况进行数值模拟。数值模拟结果所得换热面努塞尔数Nu与采用迪图斯—波尔特(Dittus-Boelter)公式计算所得Nu数进行比较,计算误差均小于5%。研究结果表明,在四种工况下,圆孔表面由于圆孔的存在改变其表面附近流动边界层的流动结构,使得边界层内垂直于壁面的法向速度梯度变小,进而使得边界层厚度增加,且由于圆孔表面下方流体可吸收部分来自边界层以外的动量传递,降低壁面附近的湍流扰动,从而减少损耗,达到明显的减阻效果。计算结果显示:四种工况下圆孔表面的存在使得流动均有不同程度的减阻效果,四种工况中减阻效果最大可达14%;但是随着流动减阻效果的改善,圆孔表面的换热性能均有所降低。     

SLM成形表面织构对TC4钛合金干摩擦磨损性能的影响

基于一步法思路,采用金属3D打印机基于激光选区熔化（SLM）技术制备表面带有凹坑织构的TC4钛合金试样,采用光学相机、超景深显微镜和扫描电镜观察织构成形情况,利用激光共聚焦位移测试仪和显微维氏硬度计分别测试表面粗糙度和表面硬度,在干摩擦条件下采用摩擦磨损试验仪考察不同载荷下织构密度对TC4钛合金试样摩擦学性能的影响,并使用扫描电镜对摩擦实验前后的表面形貌进行分析。研究结果表明：一步法SLM成形能够在TC4钛合金表面获得成形良好的直径500 μm的织构;随着织构密度的提高,钛合金试样表面粗糙度增大,表面硬度有所降低;干摩擦条件下,提高TC4钛合金试样织构密度有利于磨屑的收集从而减少试样的三体磨损,提高载荷有利于改善摩擦副接触状态;5 N载荷下40%织构密度试样的平均摩擦因数和磨痕宽度均最小,与无织构试样相比,平均摩擦因数和磨痕宽度分别降低12%和16%;40%织构密度下,载荷提高会引起摩擦因数的降低和磨损量增大,磨损表面犁沟和片状剥落增多。在干摩擦条件下,3D打印一步法制备的表面织构可以显著改善TC4钛合金的磨粒磨损和黏着磨损。     

灯泡贯流式水轮机转轮内流场的研究

基于环形叶栅理论建立转轮叶片三维模型。采用FLUENT软件对转轮叶片进行了三维定常湍流计算。数值模拟了转轮内部三维湍流流场,得到了叶片表面压力云图、速度矢量图和叶片进出口边附近压力分布图,并估算出水轮机水力效率。结果表明采用环形叶栅理论建立的贯流式水轮机叶片具有可行性。     

激光织构和碳基薄膜复合处理提高钛合金摩擦学性能研究

在重载滑动干摩擦条件下，对比不同织构密度的钛合金表面的摩擦学性能；在耐磨性最好的织构密度钛合金表面再制备碳基薄膜，并与直接在钛合金表面制备的碳基薄膜的摩擦学性能进行对比。结果表明：3种低织构密度条件下，TC4钛合金的摩擦因数减小、磨损率降低；随着织构密度的增大，钛合金材料的摩擦因数变化极小，磨损率有所增加；在织构密度5.95%的钛合金表面制备的碳基薄膜，因织构微凹处产生的小微湍流，减少了摩擦阻力，使得其摩擦因数相比直接在钛合金表面制备的碳基薄膜的摩擦因数有所减小。织构化碳基薄膜的磨损率比钛合金的磨损率降低了99.31%，比直接在钛合金表面制备碳基薄膜的磨损率也降低了约60%，这是因为高接触应力摩擦过程中触发石墨化转变，被磨损的石墨化颗粒碎片嵌入织构微凹中，抑制了摩擦接触界面的磨损行为。     

间隙环流中同心涡动转子动特性的研究

考虑轴向流动因素的影响，采用紊流整体流动模型和Moody壁面摩擦系数方程，建立间隙环流3D非线性微分方程，运用摄动法和线性振动理论分析求解间隙环流中同心涡动转子动特性系数。实例计算结果表明，间隙环流中同心涡动转子动特性系数与间隙的大于有关，同时分析轴向压差、壁面粗糙度、长径比及入口预旋等参数对大、小间隙环流中同心涡动转子的动特性系数的影响。     

表面织构对角接触球轴承润滑性能的影响

为研究油气润滑状态下表面织构对角接触球轴承润滑性能的影响,在角接触球轴承的内圈滚道上设计表面织构,基于气液两相流理论,采用多重参考坐标系(MRF)模型和流体体积(VOF)法,对高速角接触球轴承腔内润滑油流动特性进行数值分析,对比分析长沟槽、短沟槽、矩形、圆柱形4种表面织构对角接触球轴承润滑性能的影响,发现长沟槽形的表面织构对改善角接触球轴承的润滑性能效果最为显著,并进一步分析长沟槽形表面织构结构参数对轴承润滑性能的影响。结果表明：轴承腔内油相体积分数随着沟槽深度和面积率的增大先增大后减小,随着沟槽宽度的增加逐渐增大,存在最佳织构参数使得轴承腔内油相体积分数最大。因此,合理地设计织构参数能有效提高角接触球轴承润滑性能,该研究结果对角接触球轴承表面织构设计具有一定的参考价值。     

薄带连铸结晶辊表面形貌对界面传热的影响

利用宝钢自主开发的界面热流测量装置研究了薄带连铸用铜结晶辊表面形貌对界面传热的影响,并建立了界面传热模型。结果表明:结晶辊表面与钢液的接触面积越大,界面的峰值热流越大;研究的三种结晶辊的平均热流相差不大;该界面传热模型可以较好地预测结晶辊表面形貌对界面传热的影响。     

Hydrodynamic characteristics of a butterfly valve — Prediction of torque characteristics

This study has focused on the prediction of torque characteristics of butterfly valves and we propose a prediction equation derived from theoretical investigation and experimental results. The free-streamline theory is applied to the prediction of the torque characteristics because the flow separation was confirmed on the rear surface by flow visualization. Actual valves are affected by the duct wall. These effects are considered as the change of attack angles and approaching velocities of the flows. Thus, the correction for these effects is added to the theoretical torque equation obtained by the free-streamline theory. The results of our prediction are shown to be successful comparing with the experimental results.     

基于仿真离散数据的偏转板射流式伺服阀液动力计算方法研究

基于偏转射流式伺服阀工作机理,提出关于其动态特性分析及前置级液动力计算检测的问题。建立关于力矩马达、射流盘前置级以及功率滑阀三部分的完整伺服阀动态模型,确定前置级液动力的近似公式,并对整阀特性进行频率分析,验证了数学模型的正确性;建立伺服阀前置级内部的二维流场模型,并基于流场仿真所获得的离散数据,给出两种可用于计算稳态液动力的方法,即动量定理法和压差法,通过计算某型伺服阀的液动力,验证上述两种方法能够相互印证;设计并实现了一种双自由度的液动力测试平台,实现了对液动力的间接测试。结果表明,采用动量定理法和压差法计算得到的液动力值,与其近似计算公式以及试验结果一致,证明了提出的液动力计算方法与测试系统均具有可行性,为此类伺服阀的改进与优化提供了技术支撑。     

高功率密度液力变矩器空化特性研究

高功率密度液力变矩器由于其内部流速高、局部压力低而易出现空化现象,导致其液力性能恶化。针对液力变矩器内空化现象进行试验及数值研究,通过对不同转速、不同速比及不同补偿油压力下液力变矩器性能测试,获得空化随工况及供油条件变化规律。构建基于Rayleigh-Plesset的全流道瞬态空化仿真模型对不同工况下液力变矩器内部两相空化流动进行预测,利用应力混合涡模拟湍流模型精确捕捉涡流状态,实现对有/无空化下液力变矩器内部流场及液力特性的计算。结果表明,液力变矩器在高泵轮转速、低速比及低补偿压力下容易发生空化,空化程度随着速比的下降而升高,在起动工况时达到最大。在空化工况下,液力变矩器导轮流道内产生大量空泡,空泡阻碍油液流动,导致循环流量降低,进而使液力变矩器传递功率的能力下降,起动工况下能容系数降低高达31%。全流道瞬态空化模型能够实现液力变矩器空化特性的精确预测,对变矩比、能容系数及效率的最大预测误差由无空化的30%降低至5%。     

油水两相流中2种含水率计算模型比较

油水两相流广泛存在于石油开采、储运、化工、能源等工业领域。含水率是油水两相流系统的重要参数之一,含水率的准确测量不仅与采用的测量方法有关,而且还与计算模型有很大关系。结合电导式测量方法建立了电阻-电容并联网络含水率计算模型,并在3种流型下与Maxwell含水率模型进行了仿真和实验对比。结果表明,建立的并联电阻-电容网络含水率模型,在泡状流下与Maxwell含水率计算模型的误差基本相同,而在环状流、分层流下,测试误差均小于Maxwell含水率计算模型的误差,具有更高的测试精度,可适用于环状流、分层流、泡状流等流型。     

超声振动辅助电火花铣削间隙流场分析与验证

为研究超声振动对电火花铣削间隙流场的作用,根据流场理论将超声振动辅助电火花铣削间隙流场简化为二维流场,建立间隙流场动力学基本方程并推导出间隙流场在x和y方向的压力变化方程。通过Fluent有限元软件建立二维轴对称旋转仿真模型,验证该方程的正确性。分析了间隙流场交变压力的作用,并进行实验验证。研究结果表明:在超声振动的作用下,加工间隙中电介质沿x和y方向超声频率周期性变化的压力增强了空穴作用,促进了电介质的循环,减少了短路和电弧放电,提高了加工过程的稳定性和加工效率,进而提高工件材料去除率,同时能够减小火花放电凹坑深度,使工件加工表面的熔融金属铺展得更均匀,从而降低工件加工表面粗糙度。     

射频器件超细引线键合工艺及性能研究

作为有源相控阵雷达的关键组成部分,T/R （Transmitter and receiver）组件的尺寸与性能决定着装备的重量和功能。引线键合是T/R组件中常用的互连技术之一,随着组件集成度的提高势必也要开发相应的高密度引线键合技术,这使得键合线的尺寸越来越小,而超细的引线会使焊点力学性能降低,造成可靠性下降等问题。采用超声热压楔形键合的方法实现了的超细金丝与金焊盘的连接,并对工艺进行优化。结果表明,随键合压力、键合时间和超声功率的增大,键合后引线形变量逐渐增大,而键合后金丝的拉力先增加后减小,且工艺参数对金带形变量的影响小于金丝;由于第二焊点作用力过大会导致引线形变量较大、最大拉力小于第一焊点,需增加题焊点数量;最后,通过正交试验方法获得了金线和金带的最佳键合工艺参数,实现了超细尺寸引线的键合,对T/R组件的小型化具有重要意义。     

Effects of fluid inertia in magneto-hydrodynamic annular squeeze films

The effects of fluid inertia on the squeeze film behaviors between two parallel annular disks with an electrically conducting fluid in the presence of a transverse magnetic field are analyzed. The local inertia and the convective inertia of the magneto-hydrodynamic fluid flow are considered in the study. Analytical expressions for the magneto-hydrodynamic squeeze film characteristics are obtained using the momentum approximation method. The results are compared with those based upon the assumption of non-inertial flow. It is found that the inertia correction factor in the magneto-hydrodynamic load-carrying capacity is more pronounced with large Hartmann numbers.     

基于CFD的螺旋桨敞水性能数值分析与验证

根据螺旋桨的投影原理及其型值参数,建立螺旋桨的三维模型。运用计算流体动力学(Computational fluid dynamics,CFD)理论,采用分区混合网格方案,结合雷诺时均纳维斯托克斯(Reynolds-averagednavier-stokes,RANS)方程和三种不同的湍流模型对螺旋桨三维粘性流动进行数值模拟。所采用的网格划分方法具有网格数量少、质量高的特点。计算结果得到螺旋桨的推力系数、转矩系数以及尾流场的速度、压力分布等水动力特性参数,预报值与试验数据吻合较好,验证了数值方法的正确性,且说明雷诺应力模型(Reynolds stress model,RSM)这种湍流模型更适合螺旋桨粘性流场的数值计算,具有较高的预报精度,为复杂旋转机械粘性流场计算中湍流模式的选取提供参考意见。通过对螺旋桨敞水性能的分析,得到螺旋桨粘性流动所特有的流动分离、梢涡的形成与结构以及尾流场等一些重要现象和特征,为螺旋桨噪声、振动的研究和新型高效推进器的设计提供理论指导和技术支持。     

渐扩管内气液环状流附壁特性研究

利用Fluent软件模拟了油气两相流在渐扩管内的液相的附壁情况,得到了渐扩管扩张段的速度场和压力的分布规律,并分析了改变渐扩管的扩张角对扩张段环状流液膜附壁的影响。结果表明,渐扩管扩张段的锥角对环状流液膜的附壁有很大的影响,扩张段横截面的速度差值和压降随扩张角增大而增大,但是轴向梯度力却随之减小。这些结论对油气润滑系统中的输运有指导意义。     

Numerical investigation on developing laminar forced convective heat transfer and entropy generation in an annular helicoidal tube

In this study, numerical investigations are conducted for forced convective heat transfer in an annular helicoidal tube under uniform wall temperature condition for laminar flow including developing region. The numerical computations reveal the developments and distributions of heat transfer and flow fields in the annular helicoidal tube when the outer tube wall is heated and the inner tube wall is insulated. The effects of Reynolds number, curvature ratio, and coil pitch on the circumferential average friction factor and Nusselt number at different axial locations, and the non-dimensional entropy generation number of laminar convection in an annular helicoidal tube are investigated. In addition, the differences of flow and heat transfer characteristics between the annular helicoidal tube and circular helicoidal tube are also described.     

TIG焊接电弧与熔池统一模型有限元分析

根据磁流体动力学理论以及焊接的实际情况,建立了三维TIG焊接电弧与熔池的统一数学模型,避免了对电弧以及熔池界面条件的假定,使得对焊接电弧与熔池行为的分析与实际情况更近了一步。运用该数学模型对TIG焊接电弧和熔池的流场和热场进行了有限元分析。采用等效比热法来确定液相分数,假定固液相等同区来解决工件熔化区与非熔化区的移动边界。结果表明：用数学模型模拟出的电弧行为特征以及熔池形状与试验结果相吻合。