空气静压导轨内气体流动分析及稀薄特性研究

发布时间：2017-09-06 03:14

  本文关键词：空气静压导轨内气体流动分析及稀薄特性研究

  更多相关文章： 空气静压导轨 微尺度 格子Boltzmann 稀薄效应 分层现象

【摘要】：精密空气静压导轨具有高刚度,低摩擦,清洁无污染等优点,被广泛应用于精密机床、三坐标测量机等设备中。而导轨的高精度、稳定性与气膜状态紧密相连,通常导轨内气体的流态被简化成从节流器的进气口到气腔,形成一个高压区,从此区域以层流形式进入导轨形成间隙气膜。但实际上在节流器的气腔位置,有可能产生涡旋等现象,对导轨的稳定性,气膜压力产生很大的影响；同时导轨的气膜厚度仅为微米、亚微米级,此时气膜内流态会呈现稀薄效应,分子的微观运动特征明显,在边界处会产生速度滑移和温度跳跃现象,影响导轨的承载能力和散热。本文首先通过对比选择合适的节流器形式,从分子动力学角度分别解释从进气口到气腔,气腔到出口的气体流动状态以及气腔中的气旋现象,并采用数值仿真结合分子碰撞研究方法进行验证；在分析气体流动的过程中提出分层假设,并仿真观察其特征；对于导轨间隙出现的稀薄效应从Boltzmann方程出发,推导格子Boltzmann方程进行研究,得到对应速度分布、温度分布、压力分布。通过分析发现,随着Kn数的增大,速度滑移量逐渐增大,在靠近壁面区域压力值会降低；温度跳跃在滑流区较为平缓,随着Kn的增大,至过渡区后温度跳跃程度会更加剧烈。分析发现：速度滑移有利于导轨散热；而温度跳跃,相当于在气膜和壁面之间附加了一个热阻,不利于导轨散热。本文在理论分析的基础上进一步通过仿真压力分布和分子运动轨迹,进一步完善分层理论,并初步探索分层中了速度、压力关系。
【关键词】：空气静压导轨 微尺度 格子Boltzmann 稀薄效应 分层现象
【学位授予单位】：昆明理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH703.4
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第一章 绪论10-18
• 1.1 研究背景及意义10-12
• 1.2. 稀薄效应的国内外研究现状12-14
• 1.3 格子Boltzmann的国内外研究现状14-17
• 1.4 本文的主要工作17-18
• 第二章 导轨内部流动分析及能量转化问题18-34
• 2.1 概述18
• 2.2 节流形式的选择18-23
• 2.3 进气孔到气腔的流动分析23-25
• 2.3.1 气旋现象的分子运动24
• 2.3.2 激波现象的分子运动24-25
• 2.4 气膜支撑区域的气体流动分析25
• 2.5 进气孔到气腔边界的流态分析25-30
• 2.5.1 流态仿真25-27
• 2.5.2 气旋现象分析27
• 2.5.3 激波现象分析27-30
• 2.6 气腔出口到气膜外边界的流场理论分析30-31
• 2.6.1 支撑区仿真分析30
• 2.6.2 分层现象的提出30-31
• 2.6.3 分层现象的仿真分析31
• 2.7 本章小结31-34
• 第三章 基于Blotzmann方程的数学模型建立34-56
• 3.1 BoltzmannH定理及Maxwell分布34-43
• 3.2 Maxwell输运方程及宏观量守恒方程组43-47
• 3.3 从Boltzmann方程到格子Boltzmann方程47-51
• 3.3.1 BGK近似47-50
• 3.3.2 格子Boltzmann方程50-51
• 3.4 LBM数学模型建立51-54
• 3.5 本章小结54-56
• 第四章 气膜支撑区稀薄特性分析56-74
• 4.1 微尺度气体流动与稀薄流动的相似准则56-57
• 4.2 基本模型57-63
• 4.2.1 计算方法57-60
• 4.2.2 边界处理60-61
• 4.2.3 格子单位和物理单位转换关系61-62
• 4.2.4 努森数与松弛时间之间的关系62-63
• 4.3 仿真分析63-69
• 4.3.1 流场速度对压力的影响63-67
• 4.3.2 流场温度对散热的影响67-69
• 4.4 分层现象研究69-72
• 4.4.1 分层理论69-70
• 4.4.2 层厚与压力分析70-72
• 4.5 本章小结72-74
• 第五章 总结与展望74-76
• 5.1 总结74-75
• 5.2 展望75-76
• 致谢76-78
• 参考文献78-82
• 附录 读研期间发表的论文及参与的项目82

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本文编号：801830