基于LBM的通道内多孔介质交界面滑移效应研究

多孔介质与流体所构成复合区域内流体流动现象在自然界及社会许多行业之中广泛存在,研究含多孔介质通道内流体流动的问题具有重要意义。文章基于格子Boltzmann方法对局部填充多孔介质的通道内流体流动进行模拟,研究了不同工况条件下对多孔介质区域与纯流体交界面处的滑移效应变化规律,并采用编程进行数值模拟及结果验证,分析了不同Re数和孔隙率对多孔介质区域与纯流体交界面处的滑移效应。结果表明:速度滑移系数α始终为正,应力滑移系数β始终为负值;速度滑移系数α和应力滑移系数β的数值随Re数和孔隙率ε增大时的变化趋势不同,但滑移效应的变化趋势相同,即速度滑移效应和应力滑移效应都随Re数的增大而增强,随孔隙率ε的增大而减弱。     

双分散多孔介质平板微通道中的气体滑流分析

基于双速度Brinkman-extended Darcy动量模型,分析了气体在双分散多孔介质(BDPM)平板微通道内的强迫对流及其稀薄效应对流动阻力的影响.当孔隙流体在双分散多孔介质内作高速流动时,f相和p相流场相互耦合,且本质上受四阶微分方程控制.采用正常模式降阶法导得原控制方程的二阶解耦形式及其速度分布解析解.计算结果表明,随着稀薄效应的增强,滑移速度增大而流动阻力减小.     

挤压油膜阻尼器油膜周向惯性速度的分布

针对挤压油膜阻尼器(SFD)长轴承模型,根据含有流体惯性项的Navier-Stokes方程建立了油膜周向惯性速度的模型,并通过数值计算验证了模型的正确性。油膜惯性速度模型的分析结果表明,当油膜雷诺数Re小于2时,可忽略油膜惯性对油膜周向速度分布的影响,但随着Re值的增大,即转子速度的升高,这种忽略将增大油膜动力参数的分析误差。本文建立的SFD长轴承油膜周向惯性速度模型为深入研究油膜惯性对油膜动力参数的影响奠定了基础。     

气固热耦合对微尺度气膜空气静压轴承承载特性的影响

当空气静压轴承工作气膜处在微米尺度时,气膜内压力分布具有显著的温度敏感性,严重影响轴承系统的承载能力和刚度特性.本文基于气体润滑理论和稀薄气体动力学,结合边界滑移和热耦合分析技术,通过数值分析的方法研究考虑温度影响所引起的空气静压轴承气膜局部变形问题,对系统的承载能力和刚度特性进行理论分析和实验研究.研究结果表明:气固热耦合效应会使微米级气膜内部发生不均匀的膨胀变形,导致空气静压轴承内部流场发生变化.气膜的最大变形量随温度升高呈线性增长,当温度达到250℃后趋于稳定;随着气膜厚度的增加,空气静压轴承气膜内部对温度的敏感性逐渐减小;考虑热耦合效应的轴承压力分布和承载能力低于传统层流假设下理论计算所得结果,因而在高精密、微米级气膜和极端温度条件等场合设计使用空气静压轴承时,必须要考虑环境温度和系统工作温升带来的热耦合效应影响.     

速度滑移对液静压轴承油膜微流动影响敏感度

为了使液体静压轴承油膜性能的研究更加准确,基于计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)和有限差分方法,研究了液体静压轴承间隙油膜微流动的速度滑移现象及其对轴承性能的影响,并定义敏感度物理量对影响程度进行评估.在传统油膜流动假设条件基础上,引入Navier速度滑移边界条件对传统的Reynolds方程进行修正,通过有限元差分方法求解修正后的Reynolds方程,采用梯形积分公式求解轴承承载力等性能参数,对速度滑移影响的轴承性能的敏感度做出定量和定性分析.研究结果表明:油膜压力分布、轴承的承载力、动刚度及油腔流量等轴承性能对速度滑移都有一定的敏感性.最大油腔压力随滑移系数的增加而减小;速度滑移在一定程度上提高了轴承承载能力和油腔流量,但同时降低了轴承动刚度,流量对速度滑移的敏感度最大达到100%.     

一种新型多孔质金属轴承的研究

本文提出了一种新型结构的多孔质金属含油轴承。该轴承的局部渗透性能沿其圆周方向按特定规律变化,这是为既保持多孔轴承的自润滑特性,又提高其承载能力和减少摩擦而设计的。理论分析和实验研究的结果表明了新轴承的摩擦学特性较之普通多孔轴承有很大改善;新轴承的极限pV值(实验值)较普通多孔轴承高约一倍。为研究这种轴承,本文建立了综合考虑到多孔基体弯曲效应、基体与油膜分界面上的滑动效应、油膜内气穴效应,以及渗透度各向异性的多孔轴承流体动力润滑方程式;给出了该数学模型用于新轴承求解的电算程序。根据数值计算结果,本文对多孔轴承的润滑机理进行了讨论。     

圆形微通道内压力驱动流的边界滑移效应及动电效应

采用层流Navier-Stokes方程和离子分布Boltzmann方程建立圆形微通道内压力驱动流的数学模型,分别采用Navier滑移条件和电流密度平衡条件描述微流动边界速度滑移和动电效应,应用有限元法分析边界效应对微流动的影响。结果表明:微流动受边界效应的作用不容忽视,圆形微通道边界滑移效应对流动有促进作用而动电效应有阻滞作用;当微通道内同时存在2种边界效应时,边界滑移效应对流动的影响随着壁面ζ电势的增大而逐渐减弱,在高壁面ζ电势时影响甚微,几乎可以忽略。     

滑移边界条件下的渗流基本微分方程

首先根据牛顿流体的应力和应变的关系,以及在层流条件下,在固壁附件滑移长度和滑移速度的线性关系,得到了在层流条件下,具有滑移边界的圆管中的速度公式和流量公式;然后采用毛细管束模型,推导出了在多孔介质中具有滑移效应的渗流速度方程,和滑移渗流的基本微分方程.方程中的渗透率由非滑移渗透率和相对滑移渗透率组成,相对滑移渗透率的数值取决于毛管半径R和滑移长度b.     

控制出口区界面滑移的阶梯轴承润滑性能研究

考虑润滑油膜在阶梯轴承出口区运动接触表面上滑移而避免润滑油膜在轴承其他表面上滑移,给出了阶梯轴承润滑油膜承载能力和摩擦系数分析结果.算例得出,在一定工况下这种轴承的承载能力因界面滑移略微提高,而其滑移表面摩擦系数却因界面滑移略微下降.     

多孔质气悬浮气膜压力特性建模及试验研究

为了研究多孔质气悬浮气膜压力特性以便对玻璃基板的非接触式搬运系统进行性能分析和优化设计,以具有代表性的区域单元为对象,建立包含多孔质特性和间隙流特性的气膜压力动态模型,利用有限体积法(FVM)进行求解.当多孔质表面空气薄膜受到工件的往复振动挤压时,压力响应相对间隙距离呈现明显的滞环现象,表现出弹性特性和阻尼特性.仿真和试验的结果表明,基于动态模型的计算结果与实验值吻合较好.气膜压力刚度系数随着间隙距离的减小而迅速增大,并受到供给流量与区域半径的影响.气膜压力阻尼系数受供给流量的影响甚小,受区域半径的影响显著,表明适当增加导轨宽度可以有效地加快工件自由振荡衰减速度.     

Characteristics of supersonic flow in new type externally pressurized spherical air bearings

In order to predict accurately the characteristics of supersonic flow in new type externally pressurized spherical air bearings under large bearing clearance and high air supply pressure, which could decrease their load carrying capacity and stability, a CFD-based analysis was introduced to solve the three-dimensional turbulent complete compressible air flow governing equations. The realizable κ-ɛ model was used as a turbulent closure. The supersonic flow field near air inlets was analyzed. The flow structures illustrate that the interaction exists between shock waves and boundary layer, and the flow separation is formed at the lower corner and the lower wall around the point of a maximum velocity. The numerical results show that the conversion from supersonic flow to subsonic flow in spherical air bearing occurs through a shock region (pseudo-shock), and the viscous boundary layer results in the flow separation and reverse flow near the shock. The calculation results basically agree with the corresponding experimental data.     

绕流线型回转体通气两相流动的非定常特性

为深入了解通气两相流的流场结构及水动力特性,在循环水洞中利用高速全流场显示技术及六分力天平测量技术,对绕流线型回转体通气两相流动的非定常特性进行实验研究.结果表明:弹身区域流场呈均匀分布的水气两相混合状态,流动稳定,非定常特性不明显;尾部区域流场较为紊乱,非定常特性明显,尾部空泡涡的周期性脱落引起模型阻力系数出现周期性脉动现象.绕流线型回转体通气两相流动的非定常特性与雷诺数及通气率有关.通气率的增加可降低由于尾部空泡涡的脱落而引起的阻力系数的波动幅度,而对尾部涡的脱落频率无明显影响;随着雷诺数的增加,由于尾部空泡涡的脱落而引起的阻力系数的波动幅度减小,尾部涡的脱落频率增加.     

厚壁面湍流边界层对圆柱脱涡影响的实验研究

在风洞中,用热线风速仪和压力传感器进行嵌入湍流边界层内的圆柱脱涡实验研究.测量了尾涡脱落频率和平板表面压强脉动,目的是分析当圆柱嵌入空气湍流边界层的情况下,间隙比值对尾涡脱落频率及壁脉动压强的影响.实验结果得到了尾涡无量纲频率S t随间隙比及雷诺数的变化情况,壁脉动压强周期性成分的变化规律,还得到了在一定雷诺数下,圆柱对边界层速度的影响范围,为今后的工作和研究提供了实验依据.     

Effect of angular misalignment on the static characteristics of rotating externally pressurized air journal bearing

This paper studies the effect of angular misalignment on the static characteristics of rotating externally pressurized air journal bearing with four degrees of freedom(4-DOF). A clearance function is used to describe the film thickness of air journal bearings with angular misalignment along two perpendicular directions. The finite different method(FDM) and an iterative procedure are applied to solve the Reynolds equation and obtain the air film pressure distribution. Various eccentricity ratios and rotating speeds are taken into considerations for the comparisons of static performances of the air journal bearing under different tilt angles. The results show that the air film thickness, load capacity, stiffness, load moment, attitude angle and volume flow rate are affected greatly by the angular misalignment.     

电厂离心风机容积损失的数值分析

利用FLUENT对离心风机蜗壳内部流场进行三维数值模拟,得到其流动特征及容积损失情况。针对模拟结果设计出一种圆弧型防涡圈,对加装防涡圈后的离心风机进行数值模拟,结果表明加装防涡圈后的风机,其旋涡强度降低,流场流动得到改善,容积损失大为减少。     

理想气体条件下平行圆盘止推气体轴承承载力特性研究

在高供气压力和大间隙下,平行圆盘止推气体轴承间隙中呈现出超音速主流区与边界层的复杂作用而导致高度复杂的流场。为探讨超音速主流区的特性,采用绝热理想气体和简化轴承模型分析环境背压不变时气膜间隙中流动状态与供气总压的依赖关系,推导出以供气总压和马赫数为主要变量的不同流态下轴承承载力的计算公式。结果表明,随着供气总压的变化,间隙内可能出现4种不同的流动状态,具体由供气总压与3个特征滞止压强的比值来决定;3个特征滞止压强与出口背压的比值仅取决于圆盘的内外半径比。当供气总压在环境背压和第2特征滞止压强之间时,随着供气总压的增大,轴承承载力从0降至最低负值;当供气总压大于第2特征滞止压强时,轴承承载力随着供气总压的提高而线性增大。     

双进口旋风器内流场的实验研究

针对旋风器内气流轴不对称问题，从结构上改单进口为双进口。本文对比单进口旋风器，给出双进口旋风器内流场测定的试验结果，表明双进口结构的旋风器流场呈准轴对称，它比单进口旋风器更有利于提高分离效率和降低压力损失。     

轴对称进口旋风分离器性能的研究

通过对旋风分离器内流场分析 ,可知传统单进口旋风分离器内气流出现偏心 ,为此 ,将普通旋风分离器的单进口改为轴对称进口 (入口面积相等 ) ,在其它条件不变的情况下 ,分别改变两者的进风量、入口含尘浓度等因素 ,通过分析对比来考察轴对称进口旋风分离器的分离特性和压损特性 .研究结果表明 :轴对称进口旋风分离器的分离性能优于单进口 ,除尘效率高 ,且相同条件下 ,切割粒径比单进口的小     

气动系统长气管建模与分析

由于气体的可压缩性,气压信号在长气管中的传递特性表现为非线性,这种非线性给系统设计和应用带来困难。从工程应用的角度出发,难过实验对气动系统中长气管的主要特征－气压信号的延迟进行了研究,根据长气管的物理特点建立了动力模型及数学模型,并对模型参数进行了辨识和分析,还根据流体力学的理论探讨了管内流体的状态,最后通过对数学模型的仿真和实验研究进行了比较,两者具有较好的一致性。     

齿形尾缘小型轴流风扇的气动性能研究

小型轴流风扇是计算机散热的主要部件,其通风量和噪声等会直接影响计算机的正常运行和寿命,散热风扇的高性能和低噪声已成为计算机配置的关键问题之一.为此,设计了一种尾缘齿形化小型轴流风扇,该风扇齿形从叶根到叶顶由密到疏分布.并用流体力学软件对尾缘齿形化小型轴流风扇进行静态特性和声学性能模拟,对其进行流场和气动声学分析.结果表明:尾缘齿形化后对小型轴流风扇的静态特性基本没有影响,但在大流量下,效率比原型风扇低;对叶顶间隙和出口区某点的噪声监测发现叶顶间隙处的噪声基本没有变化,而出口区的噪声降低很多;尾缘齿形化后的转子表面的声功率级比原型风扇低,且低声功率级的区域比原型风扇大.