局部多孔质气体静压轴向轴承静态特性的数值求解

运用数值方法分析局部多孔质节流气体静压轴向轴承的静态性能,分别建立局部多孔质圆柱塞内的压力分布方程和气体薄膜内的压力分布方程,利用坐标变换将局部多孔质圆柱塞的圆柱坐标与气体薄膜的圆柱坐标转换到同一笛卡儿坐标系,为有限元离散奠定基础.经过有限元推导,求得局部多孔质气体静压轴向轴承的承载能力与静态刚度,并对局部多孔质节流进行试验以验证理论模型的正确性.另外,对局部多孔质节流气体静压轴向轴承和小孔节流气体静压轴向轴承进行对比试验.结果表明:局部多孔质节流和小孔节流静压轴承的承载能力随着气膜厚度的减小而增加;静态刚度随着气膜厚度的增加先增加后减小;局部多孔质节流比小孔节流具有较高的承载能力和静态刚度.     

基于连续模型和离散模型的微尺度三维凸台轴承的气体润滑分析

为了考察应用图案化盘片实现超高密度磁存储时磁头/磁盘界面气体润滑设计理论的有效性,本文设计了1种三维凸台轴承构型,分别使用直接模拟蒙特卡罗方法（DSMC）和气体分子薄膜润滑理论（MGL）方法进行了模拟计算,考察了相对滑动速度、轴承最小间隙、凸台高度和入射速度方向对气体轴承压力分布的影响.结果表明：对于三维凸台微尺度气体轴承,MGL方法的计算结果依然与DSMC方法的结果相差不大.存在凸台接触,轴承间隙为零的情况下,气体轴承仍然具有一定的承载能力,且压力分布形状随凸台高度的变化表现出与常规非接触式气体轴承不同的规律.     

箔片-电磁混合轴承的稳态承载特性及控制

箔片-电磁混合轴承(HFMB)是一种将气体箔片轴承和电磁轴承混合使用的新型轴承,有效解决了气体箔片轴承低速磨损大和电磁轴承承载力有限的不足,并且具备载荷可分配和支撑系统动力学性能可调节等优点.文中在分析两种轴承稳态承载特性的基础上详细讨论了混合轴承的稳态控制方法,给出了一种以电磁轴承实际承载力与预分配承载力差值最小为控制目标,通过等边三角形为基本单元对混合轴承工作区域进行划分的箔片-电磁混合轴承稳态工作位置搜索算法.最后建立了系统模型并进行了数值仿真,验证了稳态控制系统的可行性和有效性.     

高温高压气体在低含水率介质中迁移的数值模拟

针对气液两相非等温渗流模型高度非线性的特点,发展了适宜的数值离散方法。根据相态转换准则和控制方程的性质,采用最低饱和度法简化算法。空间离散方面,使用有限体积法;时间离散方面,设计了一套包含合理求解顺序的Picard迭代法,解决了方程组强耦合的问题。利用上述数值方法对高温高压气体的迁移行为进行数值模拟,证明了气体在低含水率介质和等效孔隙度的干燥介质内的运动基本一致,并分析了空腔内的气液相态转变过程。在此基础上,研究了多孔介质孔隙度和渗透率对气体压强演化和示踪气体迁移的影响。研究表明,孔隙度越小（相同渗透率）、渗透率越高（相同孔隙度）,示踪气体的迁移距离越远,并给出了估算不同孔隙度和渗透率下迁移距离的半经验公式。     

控压钻井重力置换与溢流气侵判断准则分析

考虑重力置换的恒定性、气侵的可变性,提出了重力置换与溢流气侵的判断三准则,实现了计算机自动判断气体来源。借助计算机编程对准则求解,并将判断准则应用于某微流量控压钻井的溢流气侵和重力置换判断。结果表明:重力置换发生后,一定量的置换气体侵入环空,气体的侵入量主要受岩层渗透率、钻井液-岩层接触面积的影响,而溢流气侵发生后,气体的侵入量主要受地层欠压差影响;为达到衡压钻井目的,溢流气侵发生后不但要抑制气体滑脱产生的压降,更要平衡地层欠压差,而重力置换只需抑制气体滑脱产生的压降;溢流气侵发生后,环空中流体的流动先由0气流转换为混合流,经回压控制后,再由混合流转换为0气流,重力置换发生后,环空中流体的流动由0气流转换为混合流。     

高温高压气体在低含水率介质中迁移的数值模拟

针对气液两相非等温渗流模型高度非线性的特点,发展了适宜的数值离散方法。根据相态转换准则和控制方程的性质,采用最低饱和度法简化算法。空间离散方面,使用有限体积法;时间离散方面,设计了一套包含合理求解顺序的Picard迭代法,解决了方程组强耦合的问题。利用上述数值方法对高温高压气体的迁移行为进行数值模拟,证明了气体在低含水率介质和等效孔隙度的干燥介质内的运动基本一致,并分析了空腔内的气液相态转变过程。在此基础上,研究了多孔介质孔隙度和渗透率对气体压强演化和示踪气体迁移的影响。研究表明,孔隙度越小(相同渗透率)、渗透率越高(相同孔隙度),示踪气体的迁移距离越远,并给出了估算不同孔隙度和渗透率下迁移距离的半经验公式。     

推力电磁轴承的电磁场分析

利用有限元法对推力电磁轴承的磁场分布进行了分析计算,并通过对某一实际电磁轴承的推力轴承磁场分布及漏磁的分析计算,得出了推力轴承和推力盘之间的气隙及推力轴承和转子之间的气隙之比的最佳设计值,所得结果可作为推力电磁轴承实际设计的准则     

镀MoS_2的波箔轴承之试验分析

本文是在挠性动压气体轴承——波箔轴承的平箔上涂敷MoS_2后的实况试验分析。结果表明该类轴承具有气相与固相润滑特性,其效率高、寿命长、承载能力大,同时还保持着气体轴承固有的特性,是一项极为成功的新技术,为动压气体轴承的发展新方向。 作者将这类气—固润滑轴承在气流纺中频电机、废气涡轮增压器上进行了应用试验,并对其性能进行了评价,认为这一工艺措施值得推广。     

纳米尺度气体滑动轴承的DSMC模拟

依据硬盘驱动系统中读写头与盘面的构造,结合现有的楔型和阶跃型气体滑动轴承的特点,提出了一种气体滑动轴承结构,并采用直接模拟Monte Carlo(DSMC)法数值研究了滑动轴承的最小间距、移动速度和系统温度对轴承承载能力的影响.计算结果表明,所设计轴承的承载能力随移动速度的增大而增加,随最小间距的增加和系统温度的升高而减小;轴承的承载能力对轴承最小间距的变化更敏感.     

渗流气体滑脱现象与渗透率变化的关系

气体在致密多孔介质中低速渗流时存在着因气体分子碰撞岩壁而引起的滑脱现象，它由介质的孔隙结构和气体分子的平均自由程共同决定。该现象使气测渗透率大于孔隙介质的绝对渗透率。介质中气体的低速渗流为黏滞流与滑脱流组成，各自所占比例与气体分子按自由程的分布有关。理论计算得到了低速气体渗流的气测渗透率Kg与绝对渗透率K0比值的关系式，实验结果与理论分析吻合。     

微尺度气体滑动轴承的Monte Carlo模拟与性能分析

改进了直接模拟Monte Carlo (DSMC)方法并模拟研究了轴承构型、滑动速度、壁温及环境压力对微气体滑动轴承内部压力分布及承载能力的影响.结果表明:轴承的几何构型和滑动速度对轴承的性能影响很大,对于相同长度的轴承,气体的峰值压力与轴承的承载能力随轴承出口尺寸的减小和滑动速度的增大而增大;当轴承的几何形状和滑动速度固定时,通道壁温和环境压力是影响轴承性能的重要因素,壁温越高,轴承的承载能力越强;环境压力不同,轴承性能亦有所不同.     

适用于永磁悬浮轨道及永磁轴承的解析磁力模型研究

基于由磁荷法和虚位移法给出的永磁体磁力数值积分公式,结合两块平行矩形截面永磁体的结构特点,推导出适用于永磁悬浮导轨及永磁轴承的解析磁力模型,并对双筒嵌套永磁轴承及轴向放置双环永磁轴承的轴向磁力计算结果进行实验验证.结果表明:两块平行矩形截面永磁体的磁力分别与永磁体剩磁的平方和永磁体纵向平均长度成正比,磁力随永磁体的截面增加而增大,随永磁体的间距增加而减小;模型计算值与实测值吻合.该模型计算简单,通过代数运算可以得到具有较高精度的磁力计算结果.     

缝洞型多孔介质中多相流的有限体积法数值模拟

本文研究的碳酸盐岩油藏储集体属于缝洞型多孔介质.这类缝洞型多孔介质由裂缝、溶蚀孔洞和低孔隙度低渗透率的基岩组成.裂缝是空隙流体流动的主要通道;溶蚀孔洞大小从几厘米到数米不等,渗透率和孔隙度都很高,是流体主要的储集空间.由于缝洞型多孔介质空隙空间的复杂性和强非均质性,数值计算中基本控制方程的空间离散应采用非结构化网格的计算模型.本文采用有限体积法模拟缝洞型多孔介质中多相流体的流动,并给出了相应的单元中心格式有限体积法的计算公式.裂缝介质和溶洞介质中单元间多相流体的流动考虑为高速非达西流,其质量通量采用Forchheimer定律计算.非线性方程的离散选取全隐式格式,并采用Newton-Raphson迭代进行求解.通过两个二维模型注水驱油的数值模拟,验证了本文方法的有效性.     

考虑稠密气体效应的微尺度气体轴承模拟

当气体流动区的局部压力升高到一定程度时,气体稠密效应对其输运特性的影响不可忽略,其影响可以用Enskog理论来描述。利用直接模拟蒙特卡罗(DSMC)方法以及考虑气体分子稠密效应的衍生方法对气体粘度随特征尺度的变化规律和气体粘度随密度变化的规律进行了计算分析,在此基础上研究了考虑稠密效应的微尺度气体轴承的承载能力。计算结果表明,稠密效应在抵消掉气体稀薄效应的同时还改变了输运系数和气体薄膜的润滑特性,提高了气体轴承的承载能力。     

氦气－空气混合环境中微型螺旋槽止推气浮轴承的承载特性分析

针对氦气-空气混合气体环境,分析了不同氦气体积含量下混合气体的黏度和分子平均自由程,利用有限单元法求解雷诺方程二阶滑移修正模型,计算了微型螺旋槽气浮轴承的气压和气膜厚度,研究了氦气体积含量、螺旋槽深度和转速对气浮轴承承载能力的影响.分析结果表明:当螺旋槽深度由1μm增至10μm时,气浮轴承的气膜厚度先增加后减小,槽深为5μm时,气膜厚度最大,气浮轴承的承载能力最佳.此外,当槽深小于5μm时,混合气体的分子平均自由程对气膜厚度的影响较大;当槽深大于5μm时,混合气体黏度的影响起主导作用.     

可压缩气体定常非Darcy渗流的流动分析及其应用

气体通过多孔介质的非Darcy流动具有广泛的工程应用背景，因此对多孔介质中的气体非Darcy流动进行流动分析有着非常重要的意义。然而，在通常的研究中，一般都将气体考虑为不可压缩流体，很少考虑气体的压缩性。对于高压气体以较高的速度通过多孔介质的情况，在进行流动分析时，不仅要考虑非Darcy效应，还必须考虑气体的压缩性。在本文中，对可压缩气体通过多孔介质的定常非Darcy流动进行了一维流动分析，得出了多孔介质中气体的压力分布和速度分布。还进一步给出了在高压差和高流速情况下，测定多孔介质材料渗透率和惯性系数的方法，以及多孔介质材料前后压力差与材料厚度的比Δp/L和材料有气流速度u1的解析关系。     

加工误差对陀螺电机用动压气体轴承刚度的影响

为了进一步提高精密H型动压气体轴承的刚度性能,着重分析了轴承加工误差对轴承刚度的影响。首先,通过在轴承内部交界处引入压力和流量连续方程,建立可考虑径向、止推轴承相互作用的H型动压气体轴承模型;然后,采用有限单元法进行求解以得到轴承压力分布及刚度等特性;最后,在对模型和计算结果进行实验验证后,对不同加工误差下的轴承刚度进行了研究。分析结果显示,加工误差对轴承刚度影响由强到弱的顺序为轴承间隙、止推板平面度、径向轴承锥度、圆度和止推板垂直度误差,0.2μm的轴承间隙加工误差可使轴承刚度降低20%～25%,而垂直度误差对轴承刚度的影响不大。研究结果为H型动压气体轴承的结构设计和性能提高提供了有益的参考。     

狭缝节流气体静压轴颈-止推轴承静态特性分析

在气体静压轴颈 -止推轴承的离散化过程中 ,采用有限元方法 ,利用加权余量法将其二阶偏微分方程降低一阶 ,使利用三角单元线性插值函数成为可能 ,简化了压力分布方程式的计算 ,给出了轴承的静态特性 ,分析了结构工艺尺寸、狭缝宽度和轴承间隙等因素对径向和轴向承载性能的影响 ,揭示了轴颈和止推轴承之间的相互影响规律 ,并且研究了轴承内部气膜压力分布的规律 .最后 ,通过实测值对计算结果进行了验证     

基于稀薄效应的微气体径向轴承稳态性能

针对微气体轴承给出参考努森数的定义,根据空气不同温度时的黏度,得到参考努森数的分布范围;考虑气体稀薄效应,给出基于Burgdorfer一阶滑移速度边界的微气体径向轴承润滑Reynolds方程的修正形式; 采用有限差分法求解修正的Reynolds方程,得到不同参考努森数$Kn_0$, 轴承数以及轴颈偏心率情况下轴承的压力分布、无量纲承载能力及偏位角. 数值分析表明:随气体稀薄程度的增强,气体径向轴承的压力明显降低,无量纲承载力降低,而轴承偏位角增大. 当偏心率小于0.6时,轴承偏位角变化平缓,受$Kn_0$数的影响不明显. 当轴承数较小时,气体稀薄程度对轴承的无量纲承载力、偏位角影响较小.      

页岩有机质纳米孔隙气体吸附与流动规律研究

页岩储层孔隙结构复杂, 气体赋存方式多样. 有机质孔隙形状对受限空间气体吸附和流动规律的影响尚不明确, 导致难以准确认识页岩气藏气体渗流机理. 为解决该问题, 本文首先采用巨正则蒙特卡洛方法模拟气体在不同形状有机质孔隙(圆形孔隙、狭长孔隙、三角形孔隙、方形孔隙)内吸附过程, 发现不同形状孔隙内吸附规律符合朗格缪尔单层吸附规律, 分析了绝对吸附量、过剩吸附浓量、气体吸附参数随孔隙尺寸、压力的变化, 研究了孔隙形状对气体吸附的影响. 在明确不同形状有机质孔隙内气体热力学吸附规律基础上, 建立不同形状有机质孔隙内吸附气表面扩散数学模型和考虑滑脱效应的自由气流动数学模型, 结合分子吸附模拟结果研究了不同孔隙形状、孔隙尺寸有机质孔隙内吸附气流动与自由气流动对气体渗透率的贡献. 结果表明, 狭长孔隙内最大吸附浓度和朗格缪尔压力最高, 吸附气表面扩散能力最弱. 孔隙半径5 nm以上时, 吸附气表面扩散对气体渗透率影响可忽略. 本文研究揭示了页岩气藏实际生产过程中有机质孔隙形状对页岩气吸附和流动能力的影响机制.