精密离心机空气流场的数值模拟

作     者：徐太栋 

作者单位：电子科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：杜平安

授予年度：2014年

学科分类：08[工学] 080401[工学-精密仪器及机械] 0804[工学-仪器科学与技术] 081102[工学-检测技术与自动化装置] 0811[工学-控制科学与工程] 

主      题：精密离心机 钝体绕流 风阻力矩 静压气体轴承 雷诺方程 

摘      要：精密离心机是用于标定惯性导航系统中加速度计的一种专用设备,通过施加一系列加速度载荷对加速度计进行校准。因为加速度计的精度直接影响整个导航系统的性能,因此,提高精密离心机的加速度载荷精度具有重要研究意义与应用价值。本文结合中国工程物理研究院研制的精密离心机,通过数值模拟、理论分析和实验等方法研究了精密离心机空气流场的特性,具体研究内容包括:(1)利用钝体绕流问题研究湍流模型、近壁面处理、展向效应、网格分辨率等因素对钝体分离流动模拟结果的影响,确定了离心机流场模拟方法;(2)通过数值模拟与理论解的对比选择出了适用于离心机旋转流场的数值模拟方法;通过理论推导和数值模拟两种方法研究了离心机转盘风阻力矩的变化规律,实验结果证明了本文数值模拟方法可行;通过理论分析与数值模拟研究了机箱尺寸、孔缝等对风阻力矩的影响;(3)研究了不同工况下离心机风阻力矩及其波动的变化规律;通过添加整流罩的方式削弱风阻波动,将风阻波动降低为整流前的25%;通过理论推导证明了风阻波动引起的载荷误差与风阻波动之间存在线性关系;(4)基于伴随矩阵求解器计算出了负载迎风面上的形状敏感度分布,利用灵敏度优化方法通过局部网格调整的方式得到了负载迎风面的最佳几何外形;给出了优化计算过程中的求解细节,并指出钝体外型灵敏度优化方法相对于传统CFD优化方法的优点;(5)研究讨论了静压气体轴承的两种数值模拟方法:使用五点差分格式离散求解气体雷诺润滑方程,基于MATLAB编写了静压气体径向轴承承载力与压力分布的通用求解程序;基于Fluent求解静压气体止推轴承的气膜流场,讨论了影响仿真结果的因素;基于数值模拟结果,比较了以上两种方法在求解轴承气膜流场中的优缺点;(6)基于静压气体轴承静态特性的分析结果,给出了转子临界转速的三种简易计算方法,并分析了影响临界转速计算精度的因素。