动压气体轴承间隙微流动的格子Boltzmann模拟与试验研究

作     者：鹿翔宇 

作者单位：东南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陈振乾;张建忠

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：动压气体轴承 格子Boltzmann方法 速度滑移 温度阶跃 micro-PIV 

摘      要：动压气体轴承与传统的滚动轴承相比具有极限转速高、使用寿命长、加工精度高和稳定性好等优势,在航空航天、精密制造和低温制冷等无油高速旋转机械中得到了广泛应用。目前,动压气体轴承的应用领域不断拓宽,正朝着高速化和微型化的方向发展,轴承间隙的润滑流体特性和微流动效应对轴承性能的影响更加突出,开展相关的理论研究十分重要。当极小的气膜厚度使流体位于过渡区时,基于连续性假设的宏观雷诺方程将不再适用,因此本文从介观尺度研究了轴承间隙内的流动特性和热特性,并进行可视化试验,主要研究内容如下:针对简化的弹性箔片动压气体轴承,本文首先建立了研究间隙流动特性和轴承性能的格子Boltzmann模型。使用D2Q9的多松弛时间格子Boltzmann模型,通过非平衡外推思想引入Langmuir速度滑移边界条件,实现滑移区和过渡区的微流动模拟。同时将模型推广到任意形式的贴体网格上,采用广义插值补充格子Boltzmann方法(GILBM)进行求解。使用上述模型研究了不同轴承参数和速度滑移对于间隙流动特性和轴承性能的影响。研究表明,最大间隙处的速度分布曲线向下弯曲,当偏心率大于0.73、转速低于30krpm或间隙小于40μm时,发生了气体回流现象,并且边界速度滑移会加快回流的出现。最小间隙处的速度分布曲线向上弯曲,低转速或大间隙下弯曲程度加重。轴颈侧的滑移速度呈类似正弦的分布规律,而轴承套侧的滑移速度呈抛物线分布。随着偏心率的增加,转速的提升或间隙尺寸的减小,边界的速度滑移效应加强,气膜的极值压力、承载力和摩擦转矩都呈现增大的趋势,并且速度滑移程度的加大会对轴承静特性造成更大的影响。建立了动压气体轴承气膜粘性热耗散研究模型,将总能形式的双分布函数格子Boltzmann模型通过有限差分离散应用于体贴网格中,同时引入Langmuir温度阶跃边界条件。在验证完模型准确性后,模拟研究了不同参数下的气膜温度分布。结果表明,轴颈与轴承套两侧温差较大时,径向温度呈线性分布,以热传导为主;当两侧温差较小时,径向温度呈抛物线分布,粘性热耗散占主导地位。随着偏心率增加,最大气膜温度近似线性递增,0.8偏心率的温度阶跃导致的温度提升约是无偏心情况下的6.9倍。随着转速的提升,最大气膜温度增加得越来越快,温度阶跃带来的粘性热耗散提升程度相差不大。随着间隙尺寸的减小,最大气膜温度增加且变化速率加快,温度阶跃的影响也逐渐加大,25μm下的温度阶跃导致的温度提升约是75μm下的7.5倍。研制了动压气体轴承间隙流动特性研究试验台,测试了不同偏心率和转速对于间隙流体速度场和压力场的影响,并与模拟结果对比。研究表明,随着偏心率的增加,最大间隙中间位置的速度线性增加,最小间隙中间位置的速度和最大气膜压力呈现不同趋势的增加。随着转速的提升,最大间隙和最小间隙中间位置的速度以及最大气膜压力均呈线性增加。试验结果与模拟结果的变化规律相似,并且最大误差为14.73%,表明了数值模型的可靠性。