旋流非接触搬运器三维流场数值模拟及结构优化研究

针对旋流非接触搬运器的产品结构参数化设计依赖于经验与纯试验方法的问题，利用计算流体力学方法，形成适于旋流非接触搬运器参数化结构设计的数字化建模理论；建立基于多目标优化设计理论的旋流非接触搬运器结构优化设计模型，构造相应的计算机软件原型系统，为实现旋流非接触搬运器产品数字化的结构参数化设计提出新方法。本研究的成果不仅适用于旋流非接触搬运器的优化设计，其同样也对基于计算流体力学模型的各种流体元件的这一类优化设计问题提供了有效的解决途径。

本课题主要研究内容如下:.（1）采用粒子成像测速技术(Particle Image Velocimetry——PIV)对旋流非接触吸盘实验模型在定常流动条件下进行了流场实验测量，获得了非接触吸盘内部不同水平面上的流场，揭示了旋流非接触吸盘内部流场随气膜间隙改变的变化规律。.（2）建立了旋流非接触吸盘一维速度场和压力场数学模型，并与PIV实验结果对比得出所建立的数学模型的正确性。建立的一维数学模型只针对已经确定结构的旋流非接触吸盘的性能进行预测。.（3）建立了旋流非接触吸盘三维计算流体力学数值模型。分别采用k-ε湍流模型、RNG k-ε湍流模型和RSM湍流模型三种湍流模型对旋流非接触吸盘进行数值模拟，并且分别与静态试验和PIV实验结果对比得出RSM湍流模型最为精确。RSM湍流模型和RNG k-ε湍流模型可用于工程应用这一重要结论。.（4）通过对吸盘杯体直径和高度、进气喷嘴位置、裙板宽度、杯体底部倒角角度和导流体型线进行数值模拟分析研究，得出了对旋流非接触吸盘性能影响较大的结构参数，为旋流非接触吸盘进行多目标优化打下基础。.（5）提出了一种适合机械结构优化的多岛遗传算法与内点罚函数法相结合的优化方法。基于该方法建立了旋流非接触吸盘多目标优化设计平台，并实现了含导流体的旋流非接触吸盘的多目标优化设计。该多目标优化平台集成了三个模块：三维模型建立模块、求解器模块和多目标优化设计模块。该优化设计平台能够自动完成优化运算，这样保证优化过程快速和简洁。.（6）使用此多目标优化设计平台对旋流非接触吸盘进行多目标优化设计后，优化设计结果显示吸盘性能提升显著，全局最优解位置吸盘产生最大提升力比优化前增大了105.7%，而在产生斥力位置的支撑刚度增大了95%。经过实验验证，数值模拟结果可以真实反映模型旋流非接触吸盘的特性。