气体静压节流器微流场焦耳—汤姆逊效应的研究

发布时间：2017-10-09 01:19

  本文关键词：气体静压节流器微流场焦耳—汤姆逊效应的研究

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【摘要】：气体静压节流器已被广泛应用于超精密加工及超精密检测技术领域,随着这些领域的快速发展,对该器件的性能也提出了更高的要求。由于气体在气体静压节流器微流场内的流动不是等温的,在高精度的应用场合,应考虑温度对节流器的影响。本文从焦耳-汤姆逊效应入手,研究了温度在节流器微流场内部的分布情况,主要的工作围绕以下内容进行:(1)利用立方型状态方程和BWRS方程求解了空气焦耳-汤姆逊系数,结果表明随着供气压力和供气温度的升高,空气焦耳-汤姆逊系数逐渐减小;利用FLUENT软件,对空气焦耳-汤姆逊效应进行仿真,研究了进气口压力、进气口温度、出气口压力与节流温降的关系,结果表明仿真温降与理论计算焦耳-汤姆逊系数得到的温降有较好符合。(2)将气体在节流器中的流动过程分成两个过程:节流过程和润滑过程。推导了非等温定常多变过程的雷诺方程。利用此方程求解了双圆型和双U型气体静压节流器的出口压力。根据以上求得的空气焦耳-汤姆逊系数和出口压力,计算了在节流过程中由于焦耳-汤姆逊效应导致的节流温降。同时根据多变过程的热力学特征,得到了气体在润滑过程中的温度分布。(3)利用流固耦合分析方法研究了供气压力、供气温度、气膜厚度、节流孔直径和节流孔长度等五个因素对双圆型和双U型气体静压节流器工作平面变形量的影响,研究表明供气温度是五个因素中影响最大的因素。(4)搭建了气体静压节流器焦耳-汤姆逊效应和温度分布测量装置,对双圆型和双U型气体静压节流器在节流过程中的节流温降及在润滑过程中轴向温度分布进行测量,结果表明在节流孔处的流场温度最低,并对理论值和实验值进行比较,分析了误差来源。本文对气体静压节流器的焦耳-汤姆逊效应和温度分布进行了初步探索,可为设计出更高性能的节流器提供一定的指导。
【关键词】：气体静压节流器 焦耳-汤姆逊效应 微流场温降 流固耦合变形
【学位授予单位】：中国计量学院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH701
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-7
• Abstract7-15
• 1 绪论15-22
• 1.1 课题研究背景、目的及意义15-16
• 1.2 课题国内外研究现状16-20
• 1.2.1 气体静压节流器的国内外研究现状16-18
• 1.2.2 焦耳-汤姆逊效应的国内外研究现状18-20
• 1.3 本文主要研究内容20-22
• 2 空气焦耳-汤姆逊效应的理论研究与数值模拟22-44
• 2.1 焦耳-汤姆逊效应的理论研究22-36
• 2.1.1 焦耳-汤姆逊效应22-24
• 2.1.2 实际气体状态方程24-27
• 2.1.3 空气焦耳-汤姆逊系数的计算27-33
• 2.1.4 计算结果及分析33-36
• 2.2 焦耳-汤姆逊效应的数值模拟36-42
• 2.2.1 计算流体动力学简介36-37
• 2.2.2 FLUENT仿真37-39
• 2.2.3 仿真结果及分析39-42
• 2.3 本章小结42-44
• 3 气体静压节流器焦耳-汤姆逊效应与热力学分析44-72
• 3.1 气体静压节流器焦耳-汤姆逊效应44-58
• 3.1.1 非等温定常多变过程的雷诺方程推导45-49
• 3.1.2 出口压力的计算49-52
• 3.1.3 计算结果及分析52-58
• 3.2 气体静压节流器节流温降与温度分布58-71
• 3.2.1 节流过程温降计算58-63
• 3.2.2 润滑过程温度分布计算63-71
• 3.3 本章小结71-72
• 4 气体静压节流器变形量的流固耦合分析72-88
• 4.1 流固耦合分析72-74
• 4.1.1 流固耦合概述72-73
• 4.1.2 单向流固耦合73-74
• 4.2 变形量仿真74-79
• 4.2.1 几何模型的建立74-75
• 4.2.2 网格的划分75-77
• 4.2.3 边界条件的设定77
• 4.2.4 变形量的求解77-79
• 4.3 仿真结果79-86
• 4.4 本章小结86-88
• 5 气体静压节流器焦耳-汤姆逊效应与温度分布实验88-100
• 5.1 测量方法与装置88-93
• 5.1.1 测量方法88-91
• 5.1.2 测量装置91-93
• 5.2 实验过程及结果分析93-97
• 5.2.1 双圆型气体静压节流器实验结果及分析93-95
• 5.2.2 双U环型气体静压节流器实验结果及分析95-97
• 5.3 误差分析97-98
• 5.4 本章小结98-100
• 6 总结与展望100-102
• 6.1 全文总结100-101
• 6.2 主要创新点101
• 6.3 研究展望101-102
• 参考文献102-106
• 附录A 双圆型气体静压节流器实验数据106-109
• 附录B 双U型气体静压节流器实验数据109-112
• 作者简介112-113

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本文编号：997356