基于速度滑移的气膜流态与cfx仿真分析

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1、基于速度滑移的气膜流态建模与CFX仿真分析范晋伟李海涌陈东菊李云（北京工业大学机电工程学院，北京，100124）摘要：为了研究空气静压导轨微小间隙中的气膜流态以提高数控机床的加工精度。本文通过将速度滑移计算方法/边界条件引入Navier-Stokes（N-S）方程，推导出适合可压缩气体在微尺度条件下的雷诺方程。并利用流体仿真软件CFX对微尺度下湍流状态的气膜流态进行仿真分析。通过改变节流孔直径和气膜厚度来分析气膜内压强分布的变化。仿真结果表明，当节流孔直径和气膜厚度在一定范围内变化时，压强由最大值趋于环境压强过程中呈现波动变化趋势，在某些参数设置下甚至有压强突变现象发生，并且在一些情

2、况下节流孔周围会有负压区形成。本文研究的内容为微尺度下数学模型的建立提供一定的理论指导，为研究空气静压导轨中气膜波动现象和提高数控机床的加工精度提供一定的理论依据。关键词：空气静压导轨；微尺度流动；气膜流态；CFX；速度滑移中图分类号：TH133.3AnalysisofthegasfilmandCFXsimulationbasedonthevelocityslipFANJinweiLIHaiyongCHENDongjuLIYun(BeijingUniversityofTechnology,Beijing100124)Abstract:Throughintroducingvelocit

3、yslipintoN-SEquations,thispaperdeducestheReynoldsequationforcompressiblegasinthemicroscale.ThroughtheliquidsimulationsoftwareCFX,thegasfilmflowsinmicro-scaleissimulated.Thepressurevariationofthegasfilmisanalyzedbychangingtheorificediameterandgasfilmthickness.Theanalysisresultsshows,thefilmpress

4、urehasafluctuationchangewhenitdecreasedfromamaximumtotheenvironmentalpressure,evenpressurecatastropheappearedinsomeparametervalues.Anegativezoneofpressurewillbeformedaroundtheorificeinsomesituationswhenchangingorificediameterandair-filmthickness.Theresearchprovidesatheoreticalguidanceforestabli

5、shingmathematicalmodel.MeanwhileatheoreticalbasiswillbeprovidedforresearchingthefluctuationofGasfilmandimprovingmachiningaccuracyofmachinetool.Keywords:aerostaticguideway;micro-scaleflows;flowpatternofgasfilm;CFX;velocityslip1引言空气静压导轨由于在工作过程中导轨与溜板无直接接触，摩擦力小，运动和定位精度高，没有爬行现象等优点，越来越多的被应用于超精密数控加工机床

6、中[1-2]。在超精密机床加工过程中，材料表面会出现波纹度，波纹度是微观和宏观之间的一种几何误差，它会直接影响零件的机械性能，降低机床的加工精度。产生表面波纹度的主要原因是机床系统的振动。在空气静压导轨微小间隙的气膜中，由于空气本身的压缩性导致气膜波动，所以气膜波动是引起工件表面产生波纹度的主要原因，因此研究空气静压导轨微小间隙中的气膜流态有助于提高数控机床的加工精度。在以往的机床误差研究中只是从宏观角度对气膜的波动现象进行分析，然而由于空气静压导轨中气膜的厚度为10~50µm，气体在其间流动是微米级，所以导轨中气*基金项目：国家自然科学基金（51105005）膜流态属于微尺度范畴，

7、微尺度流动所基于的物理因素与宏观流不同，因此仅从宏观角度不能准确的分析出气膜流动的动力学特性。对于微尺度下流动的研究人们大多采用的是直接蒙特卡洛法（directsimulationMonteCarlo,DSMC），这种方法起初是由Bird[3]提出的，被广泛的应用于各种流动问题，像稀薄的大气、薄膜扩张、微系统等等.宏观条件下的流动人们通常采用N-S方程建立数学模型，对其进行分析。对于由宏观到微观过渡条件下的流体运动特性，学者曾采用将N-S方程与DSMC相结