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。     

微尺度泊肃叶流的高阶连续模型分析

分别从分子运动论及连续流理论出发,对体积力驱动的微尺度平面泊肃叶(Poiseuille)流的横向分布特征进行了分析. 分子水平模拟采用直接模拟蒙特卡罗(direct simulation Monte Carlo, DSMC)方法;连续流理论则主要考察了伯内特(Burnett)及超伯内特(Super-Burnett)等高阶连续模型,在平行流假设下,获得一组高阶非线性常微分方程,补充完整的边界条件,并应用龙格-库塔(Runge-Kutta)方法求解. 结果表明,即使对于过渡领域流动,高阶连续模型可以给出与DSMC 结果完全相符的压力分布,而速度分布当努森(Knudsen)数约为0.2时即在壁面开始出现偏差;对于温度的横向分布,伯内特模型回复到纳维-斯托克斯(Navier-Stokes)水平,不能得到与DSMC一致的双峰结构,而超伯内特模型在滑移流动领域与DSMC定性相符,在过渡领域却仅能正确预测主流区温度分布,壁面附近差异明显;横向热流与纳维-斯托克斯模型预测接近,但机理上存在本质区别. 本文结果提示选用连续模型时,不仅要根据流动参数来判断,还可以根据所关注的物理量来进行调整,适度扩大连续模型的适用范围. 但即使采用高阶本构关系,连续模型仍然不能完全描述壁面附近区域的非平衡效应(如努森层效应),这是试图扩大连续模型适用范围时必然会遇到的困难.     

等壁温加热微通道内气体流动换热特性的直接蒙特卡罗模拟

用直接模拟蒙特卡罗方法对压力边界条件下气体在微通道内的流动换热特性进行了研究,给出了壁面与来流存在温差时的沿程速度分布特点,以及在可压缩性与换热条件综合作用下的温度分布特点。研究结果表明:微通道内气体可压缩性作用显著,温度分布由可压缩性和换热强度的相对强弱综合决定;壁面与来流存在温差时气体沿程速度分布型线在入口段内上凸;壁温高于来流温度时,气流速度与等温流动工况下的速度的相对大小与气体稀薄性有关。     

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.     

过渡区气体微尺度流动的格子Boltzmann模拟

采用格子Boltzmann方法(LBM)对过渡区内的微尺度气体流动进行了模拟研究. 在已有滑移区微流动LBM模型中引入Knudsen层速度修正,选取合适的修正函数表达式并依据动理论确定了可调参数的合理取值. 在边界条件的处理格式上,采用了适合过渡区模拟的高阶滑移边界的替代格式来捕捉过渡区微流动的滑移速度,避免了直接求解高阶速度导数项的数值困难. 通过对两类不同的微流动进行模拟的结果表明:与数值解吻合得较好,尤其是对Kn>0.5微流动滑移速度的预测,与已有LBM的模拟结果相比有明显的提高.      

超薄油膜润滑的分子动力学模拟Ⅰ．刚性分子模型

分子量级超薄油膜的润滑特性与流体润滑及边界润滑的都有所不同，而且在超薄油膜中也同样存在着润滑剂的流动。因此，利用分子动力学方法模拟了超薄油膜中的压力流动，模拟中采用了刚性分子流体模型，重点研究固体壁面对流动的影响，结果表明，当油膜厚度远比流体分子“直径”大时，模拟所得速度剖面和流量均与流体力学的理论值基本一致；随着油膜厚度逐渐变薄，压力流动或动压流因受到固体壁面的阻碍作用而不断减小；当油膜厚度减小到几个分子直径量级时，两固体壁面之间的流体分子发生固化或晶体化，由此而导致压力流动消失。这可能是流体动力润滑向边界润滑转化的机理之一。由这些研究结果可见，分子动力学模拟在薄膜润滑研究中具有广阔的应用前景。     

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     

纳米尺度下烷烃润滑薄膜分层现象和速度滑移机制的分子模拟研究

采用非平衡分子动力学模拟方法,研究了纳米尺度下十六烷润滑薄膜的分层现象和速度滑移现象,重点考察了剪切速度对速度滑移现象的影响规律,并对其中的微观机理作出了解释.研究结果表明:在铁壁面的限制情况下润滑薄膜出现了分层现象,当润滑薄膜厚度超过50?时,其中间区域呈现出体相均质流体的特征.润滑薄膜层间滑移和界面滑移的临界剪切速度分别为5.5和7.5?/ps,随着剪切速度增加,界面滑移程度增强,而层间滑移程度减弱.润滑薄膜第1和2层十六烷分子层间桥接分子数目决定层间滑移程度,随着剪切速度增加,桥接分子数目也相应增多,层间滑移程度随之减弱.     

基于应变梯度理论的微尺度蜂窝等效模量计算方法

本文提出了一种新的能够计及尺度效应的微纳米蜂窝等效模量的计算方法。将一种单参数应变梯度理论引入到本构方程当中,并基于能量等效原理推导了蜂窝面内等效模量地计算公式。算例分析表明,本文方法能够有效地计及尺度效应对蜂窝等效模量的影响。尺度效应与胞壁厚度和长度的值都有关,当胞壁厚度较小时,尺度效应显著,本文方法预测的模量会明显高于传统方法;而当胞壁厚度较大时,尺度效应变得微弱乃至可以忽略不计。但如果胞壁的长度/厚度比很大,则面内等效模量会趋近于0,此时是否考虑尺度效应意义不大。     

基于Cosserat理论的四边简支自由振动微平板尺度效应研究

微观下材料内部结构将极大地影响材料的力学性能,对微纳米器件中典型的微平板结构尺度效应进行研究具有十分重要的意义.论文基于Cosserat理论推导出了微平板自由振动的微分方程,并根据四边简支边界条件假设振型函数,给出了固有频率的计算公式,对不同尺寸微平板固有频率的尺度效应进行了仿真分析.结果表明,考虑了尺度效应的微平板自由振动固有频率要高于经典理论中的固有频率.当特征长度与微平板厚度大小相当时,微平板固有频率表现出明显的尺度效应,并随着特征长度的增加而增大.同时,自由振动的尺度效应将随着微平板厚度的减小而逐渐增强,振动模态及长宽比不影响尺度效应.论文的研究将为微结构与系统的应用提供一定的理论基础.     

新型环面节流静压气体球轴承压力分布的实验研究

设计了新型环面节流闭式静压气体球轴承及其测试装置,特别是球窝上测压孔的分布位置,介绍了轴承加工工艺及其制造精度的检测结果,以及压力分布测试系统的工作原理,研究了气膜压力分布规律.结果表明,实验结果验证了理论分析方法的正确性.由于研磨工艺的限制使得试验球窝呈喇叭口状,造成球窝边缘的实测压力小于理论计算压力值.轴承的制造误差、模型误差以及计算误差是主要的误差来源,在开发新型结构静压气体球轴承的过程中,轴承的制造工艺以及零件的检测技术非常重要.