应用有限体积法空气静压导轨力学特性的研究

空气静压润滑是精密工程领域的关键技术之一,润滑气膜的压强分布、承载能力、刚度等力学特性是决定导轨稳定性的主要因素。目前,空气静压导轨设计中常采用简化雷诺方程的工程计算方法,存在静态性能误差大的特点。本文针对润滑气膜的压强分布规律、承载力等主要力学特性参数进行研究。基于节流孔出射气流为冲击射流,引入计算流体力学的有限体积法,应用理想气体等温条件下的k-ε模型封闭控制方程组对润滑气膜的力学特性进行数值分析,得出不同气膜厚度下空气静压导轨工作面上的压强分布规律。数值结果表明：导轨内气膜从节流孔沿工作面到导轨边缘的压强分布规律非雷诺润滑方程所给出的均匀递减变化,而是在节流孔附近存在半径约为500µm的负压区、峰值约为0.05MPa;在静压导轨气膜厚度与承载力分析的基础上,指出气膜与导轨间的气固耦合所引发的导轨弹性自激振动是空气静压导轨实现纳米级定位的主要制约因素。     

应用有限体积法研究空气静压导轨力学特性

研究了润滑气膜的主要力学参数.引入有限体积法,应用理想气体等温条件下的k-ε模型封闭控制方程组对润滑气膜的力学特性进行数值分析,得出不同气膜厚度下导轨工作面上的压强分布规律.数值结果表明:导轨内气膜从节流孔沿工作面到导轨边缘的压强分布规律并非按雷诺润滑方程均匀递减变化,而是在节流孔附近存在半径约为500μm的负压区;在静压导轨气膜厚度与承载力分析的基础上,指出气膜与导轨间的气固耦合所引发的导轨弹性自激振动是静压导轨实现纳米级定位的主要制约因素.本项研究为导轨自激振动抑制、气膜振幅减小乃至空气静压导轨整体精度提高等工作做了有益探索.     

均压槽尺寸对空气静压导轨静态性能的影响

引入有限体积法,采用理想气体等温条件下的k—ε模型封闭流动控制方程组,对均压槽尺寸改变条件下空气静压导轨润滑气膜流场分布进行数值模拟,得到导轨工作面压力分布图及承载力、刚度变化曲线,数值模拟结果表明：导轨承载力及气膜刚度随均压槽尺寸的增大而先增大后减小,存在一个最佳值;随均压槽尺寸增大,导轨工作面压强分布趋于均匀;但当均压槽大于一定尺寸时,气膜湍动随机性引发导轨工作面压强不规则分布,易造成偏载、导致导轨性能不稳。该结论为空气静压导轨均压槽设计及导轨系统静态性能的提高提供依据。     

空气静压导轨气膜波动的辨识

空气静压导轨的气膜波动已成为超精密加工工件波纹度的主要影响因素.为分析空气静压导轨性能,利用雷诺方程推导出双排节流孔结构形式的空气静压导轨气膜刚度计算公式,并对相应空气静压导轨进行静态刚度检测试验以验证建立的导轨气膜刚度模型的正确性与可行性.结合静压导轨的模态分析结果,建立空气静压导轨的动力学模型.根据气浮导轨系统的动力学方程,给出气浮溜板刚度及其在加工过程中随气膜厚度变化的波动频率的仿真步骤和结果,根据引起的振动幅值分析气膜波动对加工结果的影响.利用小波变换把加工工件面形检测结果分解为各尺度下低频信号和高频信号,并把各尺度下高频信号做功率谱密度分析,从导轨气膜波动频率出发辨识出导轨气膜波动信号所在的尺度,根据相应的功率谱密度幅值推导出对加工结果的影响程度.     

气体轴承特性模拟及实验验证

针对某30 kW微型燃气轮机用静压气体轴承,开展轴承刚度、承载力及轴系临界转速特征的数值与实验研究。通过离散化可压缩雷诺方程,采用数值迭代方法,获取轴承内气膜压力分布和气膜刚度特性;采用有限元方法,研究转子-轴承系统的模态特性与临界转速;在气体轴承支撑的微型燃气轮机试验台上,采用时域振动信号和不平衡响应曲线等振动测试分析方法,获取轴系的气膜临界转速特性。研究结果表明:研究的该静压气体轴承,其转速在30 000 r/min内动压效应相对于静压效应可以忽略;轴承气膜刚度随着偏心率增大而增大,但当偏心率超过0. 8时,由于出现"静态不稳定区域"导致气膜刚度下降。数值模拟和实验都证实了转子在6 000 r/min和9 000 r/min附近出现了由气膜刚度引起的锥动临界特征。     

油膜厚度对闭式液体静压导轨性能的影响

为了研究油膜厚度对静压支承的影响,以闭式液体静压导轨为研究对象,确定了导轨系统的初始参数;基于力平衡方程及流量方程,建立了功率损失、静态性能、动态性能的数学模型;将总功率损失、承载能力和静刚度、固有频率、调整时间和动刚度等参数作为导轨的性能指标,利用MATLAB软件定量分析了油膜厚度对导轨性能的影响。研究结果表明：增大油膜厚度,则液体静压导轨的总功率损失增大,调整时间变长,承载能力不变,静刚度、固有频率及动刚度减小。因此,减小油膜厚度,可降低导轨总功率损失,提高静态性能和动态性能。研究结果为工程实际中闭式液体静压导轨静压油膜的设计提供了理论依据。     

油膜厚度对闭式液体静压导轨性能的影响

为了研究油膜厚度对静压支承的影响,以闭式液体静压导轨为研究对象,确定了导轨系统的初始参数;基于力平衡方程及流量方程,建立了功率损失、静态性能、动态性能的数学模型;将总功率损失、承载能力和静刚度、固有频率、调整时间和动刚度等参数作为导轨的性能指标,利用MATLAB软件定量分析了油膜厚度对导轨性能的影响。研究结果表明:增大油膜厚度,则液体静压导轨的总功率损失增大,调整时间变长,承载能力不变,静刚度、固有频率及动刚度减小。因此,减小油膜厚度,可降低导轨总功率损失,提高静态性能和动态性能。研究结果为工程实际中闭式液体静压导轨静压油膜的设计提供了理论依据。     

弹性均压槽空气静压轴承静特性的影响因素分析

为了研究影响弹性均压槽空气静压轴承静态特性的因素,基于气固耦合原理,建立弹性均压槽空气静压轴承的耦合控制方程,采用有限差分对控制方程进行离散求解,分别研究供气压力、均压槽宽度和节流孔直径对弹性均压槽空气静压轴承静态特性的影响。结果表明:供气压力、均压槽宽度和节流孔直径对弹性均压槽空气静压轴承承载力和刚度的影响较大,供气压力越大,轴承的承载力和刚度也越大,但刚度最大时的工作气膜间隙越小;均压槽宽度越大,轴承刚度最大时的工作气膜间隙越大;节流孔直径越小,轴承刚度越大。实验结果和理论计算结果基本一致,验证了数学模型和理论方法的正确性。     

螺旋槽狭缝节流动静压气体止推轴承静态特性

为优化动静压气体止推轴承的承载特性,设计一种具有螺旋槽和狭缝节流器结构的动静压气体止推轴承,采用Fluent对轴承静态特性进行仿真分析,通过改变主轴转速、供气压力,研究气膜厚度、螺旋槽宽度、狭缝厚度等参数对轴承静态特性的影响。结果表明:相对狭缝节流止推轴承,增加螺旋槽结构可以提升轴承的动压效应增强,从而提升轴承的承载力和刚度;相同条件下,气膜厚度越大,轴承的承载力和刚度越小;主轴转速和供气压力增加,承载力和刚度均提升明显;螺旋槽宽度增加,轴承的承载力和刚度先增大后减小;狭缝厚度增大,轴承的承载力先增大后不变,刚度先增加后减小;狭缝深度提升,轴承的承载力减小,刚度先增大后减小。     

基于CFD的球面动静压气体轴承稳态性能及动态特性分析

基于CFD建立球面螺旋槽动静压气体轴承气膜的有限元模型,数值计算气膜网格点上的压力分布,模拟气膜瞬态流场中复杂的气体流动,得到气膜的压力分布、承载力以及动态特性系数。结果表明:增加供气压力可以有效地增强静压效应,减小气膜厚度和增加转速有助于增强动压效应,动静压效应耦合可以提高轴承承载性能,偏心率为0.4～0.5,平均气膜厚度为8～12μm,供气压力为0.5～0.6 MPa时,产生的动静压耦合效应明显,从而可增加气膜的承载性能和轴承高速运行的稳定性;轴承刚度系数随着气膜厚度的增大呈先增加后减小的趋势,随着偏心率的增加而增加;轴承阻尼系数随着气膜厚度和偏心率的增加变化较为复杂,但整体上呈增大的趋势,因此,合理地选取气膜厚度和偏心率能够提高轴承承载性能,改善其动态特性,提高球面动静压气体轴承运行稳定性。     

磨料流加工的流动分析

本文根据磨料流加工的原理建立了简化的固体塞分析模型，并按非牛顿流体分析理论对典型的圆孔加工进行了压力和流速的分析，获得了一些有用的结论。利用本文的分析结果，可以对磨料流加工的特性作进一步的分析和研究，具有一定的实际意义。     

微细通道内液氮流动沸腾的流型特性

采用高速摄像,得到内径为1.931 mm、1.042 mm、0.531 mm的竖直上升圆管内液氮流动沸腾的主要流型为泡状流、弹状流、搅拌流和环状流;并且在1.042 mm、0.531 mm管内发现受限气泡流。并绘制流型图,分析表面张力,压力和管径对流型转变的影响。表面张力是影响流型转变的重要物性参数,相对于空气—水的流型图,对应的弹状流/搅拌流,搅拌流/环状流流型转变线向较低的气体表观速度方向移动;而泡状流/弹状流的转变线向较高的气体表观速度方向移动。压力越高,相应的流型转变曲线向较低的气体表观速度方向移动。管径对流型转变有重要影响,随着管径的减小,相应的流型转变线向较低的气体表观速度方向移动。试验结果与通用的流型转变理论模型作比较,发现理论模型的预测结果与试验结果相差较大。     

斜流风机内部流动的数值模拟

重点分析比较了不同通道内部流动的差别.计算结果表明:叶轮出口与非对称蜗壳的相互影响是使叶轮通道内部二次流动异常复杂的原因,也是导致风机效率下降的主要原因.     

用涡轮流量计测量多相流流量

对涡轮流量传感器进行了理论分析,给出了涡轮流量计仪表常数的计算方法,讨论了获得较大固有仪表常数K0时涡轮传感器结构参数(如叶片数、涡轮半径、口径等)的优化组合问题,通过多相流动实验,总结出K0与流动密度之间的实验关系,由此给出用涡轮流量计测量多相流的半理论半经验公式,并在油井多相流量测量中得到了实际应用,符合较好.     

连续流动釜式反应器流场数值模拟

连续流动搅拌釜广泛应用于化工生产过程.文中采用CFD软件对间歇流场和连续流动单层及双层直六叶涡轮搅拌釜的三维流场进行了数值模拟.模拟结果表明:连续流场的混合效果优于间歇流场;双桨的混合效果优于单桨.     

流量控制阀不同配流形式的研究

根据液压控制和流体力学仿真的原理,用MATLAB/Simulink作为仿真工具,建立电液比例斜盘式轴向变量柱塞泵的控制模型,对变量柱塞泵的流量控制阀不同配流形式进行了仿真研究,分析了泵内阀的关键参数对其工作特性的影响.     

金属橡胶高压精密流量阀流场分析

为确保阀出口处输出流量和压力的稳定性,提出了采用压电陶瓷和金属橡胶两种材料设计的一种金属橡胶高压精密流量阀,利用压电陶瓷驱动流量阀的主阀芯实现对阀芯与阀体开口间位移的精密控制,利用金属橡胶材料的多孔性以及减压、节流和过滤等特点实现对阀出口处流体脉动的平纹波处理。运用Fluent仿真分析了阀出口处的平纹波特性和金属橡胶参数对阀腔内流体湍动能分布的影响规律。分析结果表明:在阀进、出口处安装金属橡胶环后,阀出口处流体速度变化平缓、方向趋于一致,流动更为平缓,一定程度上确保了阀输出流量和压力的稳定性;阀腔内流体的湍动能明显减小,阀腔内的流场更趋于平稳,从而提高了阀的使用寿命和启闭可靠性。     

微型轴流式血泵叶轮流场CFD计算分析

通过对人工血泵中血液的流体动力分析,计算血液流场的结构和流动性能,可以较好地了解设计血泵的血液流动和流场对血液造成的损伤。本文通过对一种微型轴流式血泵叶轮流场采用CFD方法进行了计算和分析,结论:计算了该叶轮在满足正常人体供血时的工作转速和驱动功率,为磁耦合驱动的设计提供了理论数据;血液经过螺旋叶片,速度分布梯度变小,有利于血液的均匀流动,减少了对血液的破坏,叶轮流场结构基本合理。但是,叶轮边缘间隙处存在局部高剪切区,由于局部压差的存在,流场在出口处出现局部回流。