微尺度稀薄氣體對(duì)空氣靜壓導(dǎo)軌的影響

隨著高端裝備制造領(lǐng)域的技術(shù)水平和精度要求不斷提高，當(dāng)潤(rùn)滑氣膜降至微米級(jí)時(shí)，氣體流態(tài)從連續(xù)流轉(zhuǎn)變?yōu)榛屏?，此時(shí)稀薄效應(yīng)打破了傳統(tǒng)氣體潤(rùn)滑理論的既定規(guī)律，氣膜內(nèi)的流動(dòng)規(guī)律、密度分布、壓力分布、承載能力以及剛度特性等發(fā)生顯著變化。實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步表明，稀薄條件下小孔節(jié)流氣浮支撐氣膜內(nèi)動(dòng)態(tài)特性呈現(xiàn)很強(qiáng)的非線(xiàn)性特征。這種非線(xiàn)性的源頭是氣膜內(nèi)無(wú)源自激振動(dòng)引起的，不僅會(huì)影響系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性，甚至?xí)茐臍饽は到y(tǒng)的穩(wěn)定性。因而，本項(xiàng)目以稀薄條件下的氣浮軸承特性為研究目標(biāo)，結(jié)合氣體分子動(dòng)力學(xué)和沖擊射流理論，采用格子Boltzmann方程，將理論分析、數(shù)值計(jì)算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證有機(jī)結(jié)合，主要完成了以下工作。 在潤(rùn)滑機(jī)理研究方面，基于稀薄氣體動(dòng)力學(xué)和分子碰撞理論，提出氣膜分層和分區(qū)假設(shè)，建立運(yùn)動(dòng)模型并提出相應(yīng)控制方程，分析氣膜支撐區(qū)氣體流態(tài)并計(jì)算壓力分布特征。實(shí)驗(yàn)證明稀薄效應(yīng)下：隨著氣流速度的增大，邊界滑移增強(qiáng)，氣膜有效壓力減小，連續(xù)流層的厚度增大，稀薄層的厚度減小；稀薄層剛度大于連續(xù)流層剛度，引出氣體潤(rùn)滑本質(zhì)的新描述；壓力驅(qū)動(dòng)區(qū)內(nèi)壓力梯度變化較大，實(shí)現(xiàn)氣浮絕大部分的支撐效果，并伴有較牛頓摩擦區(qū)更復(fù)雜的傳熱傳質(zhì)特性；當(dāng)?shù)竭_(dá)一定速度值時(shí)，氣膜內(nèi)壓力不在分層，速度滑移現(xiàn)象可以忽略。 在潤(rùn)滑模型方面，以氣膜分層理論為基礎(chǔ)，結(jié)合層內(nèi)黏度的變化特征，建立壁面滑移模型。通過(guò)LAMMPS和2DMD數(shù)值分析的方法，結(jié)合實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在稀薄層內(nèi)，沿豎直方向的速度呈線(xiàn)性變化，越靠近壁面，速度越小；在近壁層內(nèi)，由于分子與壁面的摩擦使得近壁層分子速度驟減；在連續(xù)流層內(nèi)，氣體分子做全滑移運(yùn)動(dòng)；此外，溫度越高，黏度越小，速度滑移越大，近壁層與稀薄層速度差值越大。溫度一定時(shí)，無(wú)量綱滑移長(zhǎng)度和Kn數(shù)成線(xiàn)性關(guān)系。 在動(dòng)態(tài)特性方面，根據(jù)沖擊射流理論分析軸承高壓區(qū)流動(dòng)狀態(tài)和傳熱特性，將供氣孔-氣膜入口區(qū)域流場(chǎng)劃分為自由射流區(qū)、滯止區(qū)、過(guò)渡區(qū)和出口壁面射流區(qū)；基于二維平面流函數(shù)和大渦模擬方法，確定氣膜微振動(dòng)源于高壓區(qū)流場(chǎng)內(nèi)的氣旋；利用氣體分子運(yùn)動(dòng)論結(jié)合表面-界面物理方法，明確了三種氣旋的產(chǎn)生機(jī)理，發(fā)展規(guī)律和變化趨勢(shì)，同時(shí)進(jìn)一步研究了不同工況對(duì)氣膜內(nèi)壓力波動(dòng)的位置及強(qiáng)度進(jìn)行分析。最后，通過(guò)搭建試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試軸承氣膜的振動(dòng)幅值變化和頻率響應(yīng)函數(shù)，不僅驗(yàn)證了三類(lèi)氣旋的存在及其分布特征，還進(jìn)一步給出了影響氣膜微振動(dòng)強(qiáng)度的影響因素及其規(guī)律。

隨著尖端工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究領(lǐng)域的超精密測(cè)量及加工精度水平由微米量級(jí)向納米量級(jí)過(guò)渡，對(duì)超精密測(cè)量和加工系統(tǒng)的重要單元空氣靜壓導(dǎo)軌的定位精度和靜態(tài)性能也提出了更高的要求。對(duì)于微尺度空氣導(dǎo)軌，當(dāng)工作壓力較高, 而工作間隙又非常小時(shí)（十幾微米甚至幾微米）, 潤(rùn)滑氣膜會(huì)變得很稀薄。由于尺度的微細(xì)化及氣體的稀薄效應(yīng)，常規(guī)的連續(xù)性方程及N-S方程等不再使用。當(dāng)氣流變稀薄后, 根據(jù)稀薄氣體動(dòng)力學(xué)理論, 導(dǎo)軌的界面上產(chǎn)生速度滑移, 界面速度發(fā)生變化, 進(jìn)而導(dǎo)致整個(gè)潤(rùn)滑氣膜的速度分布發(fā)生變化, 對(duì)導(dǎo)軌的性能將產(chǎn)生明顯的影響。 基于Enskog 稠密氣體理論, 通過(guò)考察不同因素對(duì)氣體物性及流動(dòng)特性的影響, 分析微氣體流動(dòng)中稠密性對(duì)氣體物性和宏觀流動(dòng)參數(shù)的影響。從微觀角度用LBM研究滑移邊界條件的低滲透率微縫隙氣體流動(dòng)機(jī)理。將反彈邊界處理和自由滑移邊界處理相結(jié)合，以微氣體流動(dòng)和稀薄氣體流動(dòng)的3個(gè)特征數(shù)( K n、R e 和Ma)為表征，進(jìn)一步研究氣體稀薄效應(yīng)對(duì)微尺度下空氣靜壓導(dǎo)軌的影響，指出氣膜狹縫中稀薄氣體流動(dòng)與努森數(shù)和切向動(dòng)量調(diào)和系數(shù)之間的關(guān)系以及氣體滑落效應(yīng)與氣體性質(zhì)和氣膜狹縫寬度之間的影響。

空氣污染最常見(jiàn)的后果之一是大氣能見(jiàn)度降低。一般說(shuō)來(lái)，對(duì)空氣能見(jiàn)度或清晰度有影響的污染物，應(yīng)是氣溶膠粒子、能通過(guò)大氣反應(yīng)生成氣溶膠粒子的氣體或有色氣體。因此，對(duì)能見(jiàn)度有潛在影響的污染物有：①總懸浮顆粒物(TSP)；②SO₂和其他氣態(tài)含硫化合物，因?yàn)檫@些氣體在大氣中以較大的反應(yīng)速率生成硫酸鹽和硫酸氣溶膠粒子；③NO和NO₂，在大氣中反應(yīng)生成硝酸鹽和硝酸氣溶膠粒子，還在某些條件下，紅棕色的NO₂會(huì)導(dǎo)致煙羽和城市霾云出現(xiàn)可見(jiàn)著色；④光化學(xué)煙霧，這類(lèi)反應(yīng)生成亞微米級(jí)的氣溶膠粒子。

能見(jiàn)度的氣象學(xué)定義是：在指定方向上僅能用肉眼看見(jiàn)和辨認(rèn)的最大距離：①在白天，能看見(jiàn)地平線(xiàn)上直指天空的一個(gè)顯著的深色物體；②在夜間，能看見(jiàn)一個(gè)已知的、最好未經(jīng)聚焦的中等強(qiáng)度的光源。能見(jiàn)度觀測(cè)是觀測(cè)者通過(guò)對(duì)指定方向上一個(gè)目標(biāo)的反差度的估計(jì)而對(duì)光衰減的主觀評(píng)價(jià)。如果觀測(cè)者視力完好，則這種反差度極限估計(jì)為2%。通常認(rèn)為，普通觀測(cè)者需要接近5%的反差度才能辨別出以背景為襯托的物體。

反差度的降低及大氣能見(jiàn)度的下降，主要是大氣中微粒對(duì)光的散射和吸收作用所造成的。還有某些散射是空氣分子引起的，這就是瑞利散射過(guò)程。大氣中由散射引起的光衰減，主要是由與入射光波長(zhǎng)相近的粒子造成的?？梢?jiàn)光輻射波長(zhǎng)約為0.4～0.8μm，其最大強(qiáng)度為0.52μm左右。因此，粒徑處于0.1～1.0μm的亞微米級(jí)范圍內(nèi)的固體和液體粒子對(duì)能見(jiàn)度降低的影響很大。城市大氣中硫酸鹽的粒徑大多小于2μm，粒徑分布峰值為0.2～0.9 μm，因而這類(lèi)氣溶膠的存在會(huì)引起能見(jiàn)度明顯降低。

空氣能見(jiàn)度的降低，不僅會(huì)使人感到不愉快，而且會(huì)造成極大的心理影響，還會(huì)產(chǎn)生交通安全方面的危害。

對(duì)于尺度的劃分，不同的研究機(jī)構(gòu)、不同研究領(lǐng)域的研究人員有不同的見(jiàn)解。材料學(xué)專(zhuān)家認(rèn)為：10-12m～10-9m 之間的尺度屬于量子力學(xué)研究范疇；1 -9m～10-6m之間的尺度屬于納觀力學(xué)研究范疇；10-6m～10-3m之間的尺度屬于介觀力學(xué)研究范疇；1-3m～10-0m之間的尺度屬于微觀力學(xué)研究范疇；大于10-0m的尺度屬于宏觀力學(xué)研究范疇。而機(jī)械加工學(xué)科常常以10-6m(1μm)為加工誤差尺度，傳統(tǒng)切削加工的誤差尺度多以絲來(lái)衡量(1絲=10μm)，精密加工的誤差尺度可達(dá)到微米級(jí)。由此可見(jiàn)：材料學(xué)以研究對(duì)象的特征長(zhǎng)度作為尺度劃分的依據(jù)，機(jī)械加工領(lǐng)域以研究對(duì)象的加工精度作為尺度的劃分依據(jù)，從而把機(jī)械加工劃分普通加工、精密加工和超精密加工等，并沒(méi)有涉及到工件加工特征尺度的大小。

對(duì)多孔結(jié)構(gòu)強(qiáng)化換熱、多孔結(jié)構(gòu)中對(duì)流換熱機(jī)理、多孔結(jié)構(gòu)微尺度換熱器及微槽道微尺度換熱器進(jìn)行了深入的實(shí)驗(yàn)研究、數(shù)值模擬、理論分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)。取得了創(chuàng)新性成果。提出了修正的熱彌散導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算模型。改進(jìn)了多孔結(jié)構(gòu)局部非熱平衡模型。數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)很好地吻合。多孔結(jié)構(gòu)使對(duì)流換熱系數(shù)提高10倍左右。提出了判斷顆粒直徑對(duì)多孔結(jié)構(gòu)中對(duì)流換熱影響的判據(jù)。多孔式微型換熱器的傳熱性能優(yōu)于微槽式微型換熱器，扁槽結(jié)構(gòu)優(yōu)于深槽結(jié)構(gòu)；多孔式微型換熱器中的壓降最大深槽結(jié)構(gòu)微型換熱器中的壓降最小；深槽結(jié)構(gòu)微型換熱器的傳熱和流動(dòng)阻力的綜合性能最好所得到的最大單位體積傳熱系數(shù)為86.3MW/（m（3）K）。獲得一項(xiàng)實(shí)用新型專(zhuān)利，發(fā)表學(xué)術(shù)論文十余篇。