微尺度稀薄气体对空气静压导轨的影响

With transition of ultra precision measurement and precision level from micron scale to nanometer scale in advanced industrial production and scientific research fields, it will certainly set forth stricter requirements for positioning accuracy and static performance of aerostatic guideway which is a critical component in super precision measuring and processing systems. For micro-scale aerostatic guideway, the gas film will become rarefied when its working pressure is higher with very thin height. Due to micronization and rarefied effect, tranditional continuity equation and Navier-Stokes equations are no longer applicable. Since that, flow characteristics of microscale fluid is different from conventional scale fluid. According to the rarefied gas dynamics theory, the velocity slip exists around guideway surface. Since this variation, the whole film velocity distribution changes, which will have a serious effect on the performance of the guideway. The conditions for micro and rarefied gas flows were analyzed based on Enskog's dense gas theory, by investigating the influence of the gas densities on the physical properties and flow parameters. By discussing the slippage condition in micro-fracture, LBM is used to study the flow mechanism of gas flowing in the micro-fracture in low permeability reservoir at the micro scale based on the slide boundary condition. Combining rebound boundary processing and free slippage boundary processing, Kn, Re and Ma as three latent parameters will be used to further study rarefaction effect on micro-scale aerostatic guideway. It will also point out relationship of Knudsen constant and tangential momentum factor in air film flowing, impacts of gas property and film thickness on gas slippage effects.

随着尖端工业生产和科学研究领域的超精密测量及加工精度水平由微米量级向纳米量级过渡，对超精密测量和加工系统的重要单元空气静压导轨的定位精度和静态性能也提出了更高的要求。对于微尺度空气导轨，当工作压力较高, 而工作间隙又非常小时（十几微米甚至几微米）, 润滑气膜会变得很稀薄。由于尺度的微细化及气体的稀薄效应，常规的连续性方程及N-S方程等不再使用。当气流变稀薄后, 根据稀薄气体动力学理论, 导轨的界面上产生速度滑移, 界面速度发生变化, 进而导致整个润滑气膜的速度分布发生变化, 对导轨的性能将产生明显的影响。 基于Enskog 稠密气体理论, 通过考察不同因素对气体物性及流动特性的影响, 分析微气体流动中稠密性对气体物性和宏观流动参数的影响。从微观角度用LBM研究滑移边界条件的低渗透率微缝隙气体流动机理。将反弹边界处理和自由滑移边界处理相结合，以微气体流动和稀薄气体流动的3个特征数( K n、R e 和Ma)为表征，进一步研究气体稀薄效应对微尺度下空气静压导轨的影响，指出气膜狭缝中稀薄气体流动与努森数和切向动量调和系数之间的关系以及气体滑落效应与气体性质和气膜狭缝宽度之间的影响。

随着高端装备制造领域的技术水平和精度要求不断提高，当润滑气膜降至微米级时，气体流态从连续流转变为滑移流，此时稀薄效应打破了传统气体润滑理论的既定规律，气膜内的流动规律、密度分布、压力分布、承载能力以及刚度特性等发生显著变化。实验进一步表明，稀薄条件下小孔节流气浮支撑气膜内动态特性呈现很强的非线性特征。这种非线性的源头是气膜内无源自激振动引起的，不仅会影响系统动态特性，甚至会破坏气膜系统的稳定性。因而，本项目以稀薄条件下的气浮轴承特性为研究目标，结合气体分子动力学和冲击射流理论，采用格子Boltzmann方程，将理论分析、数值计算和实验验证有机结合，主要完成了以下工作。.在润滑机理研究方面，基于稀薄气体动力学和分子碰撞理论，提出气膜分层和分区假设，建立运动模型并提出相应控制方程，分析气膜支撑区气体流态并计算压力分布特征。实验证明稀薄效应下：随着气流速度的增大，边界滑移增强，气膜有效压力减小，连续流层的厚度增大，稀薄层的厚度减小；稀薄层刚度大于连续流层刚度，引出气体润滑本质的新描述；压力驱动区内压力梯度变化较大，实现气浮绝大部分的支撑效果，并伴有较牛顿摩擦区更复杂的传热传质特性；当到达一定速度值时，气膜内压力不在分层，速度滑移现象可以忽略。.在润滑模型方面，以气膜分层理论为基础，结合层内黏度的变化特征，建立壁面滑移模型。通过LAMMPS和2DMD数值分析的方法，结合实验测试结果发现：在稀薄层内，沿竖直方向的速度呈线性变化，越靠近壁面，速度越小；在近壁层内，由于分子与壁面的摩擦使得近壁层分子速度骤减；在连续流层内，气体分子做全滑移运动；此外，温度越高，黏度越小，速度滑移越大，近壁层与稀薄层速度差值越大。温度一定时，无量纲滑移长度和Kn数成线性关系。.在动态特性方面，根据冲击射流理论分析轴承高压区流动状态和传热特性，将供气孔-气膜入口区域流场划分为自由射流区、滞止区、过渡区和出口壁面射流区；基于二维平面流函数和大涡模拟方法，确定气膜微振动源于高压区流场内的气旋；利用气体分子运动论结合表面-界面物理方法，明确了三种气旋的产生机理，发展规律和变化趋势，同时进一步研究了不同工况对气膜内压力波动的位置及强度进行分析。最后，通过搭建试验台测试轴承气膜的振动幅值变化和频率响应函数，不仅验证了三类气旋的存在及其分布特征，还进一步给出了影响气膜微振动强度的影响因素及其规律。