空气静压导轨内气体流动分析及稀薄特性研究

作     者：刘岩 

作者单位：昆明理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：龙威

授予年度：2016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：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。