《圓形Rayleigh台階腔體流動特性的PIV實驗及數值模擬研究》是依託北京工業大學，由申峰擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：圓形Rayleigh台階腔體流動特性的PIV實驗及數值模擬研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：申峰
- 依託單位：北京工業大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
針對數控工具機中的圓形Rayleigh台階腔體流動特性問題，首次開展流體力學模型實驗,利用粒子圖像測速技術(PIV)和顯微粒子圖像測速技術(Micro-PIV),進行流場測速研究，並將腔體流動分為凹槽內流動和節流邊微流動。本項目以實驗研究為主，結合數值模擬，揭示腔體幾何形狀、入口雷諾數、承載面剪下率等因素對凹槽流場渦胞結構及液體薄膜剛度的影響，分析親疏水性對節流邊微流動的影響，並探索壓力驅動下徑向發散的環形縫隙內的邊界滑移問題。本項目的研究成果，可為解決如何提高高檔數控工具機的精度和穩定性這一核心技術難題提供理論指導，並可為微流動及邊界滑移問題研究提供參考。
結題摘要
本項目針對高檔數控工具機液體靜壓支承系統中圓形Rayleigh台階腔體內流動特性問題，設計加工了實驗模型，利用粒子圖像測速系統和顯微粒子圖像測速系統，開展了流場測速實驗，並結合數值模擬，研究了壓力與剪下力共同驅動腔體內部流動特性問題，基本完成了預定研究內容，研究發現：（1）入口雷諾數Re對渦胞結構有重要影響，隨Re增大，腔體內渦胞數量不斷變化，Re＞350時承載面附近出現第二渦胞，Re＞1400時，下壁面附近出現第三渦胞。（2）入口雷諾數Re對渦胞尺寸和位置有重要影響，隨Re增大，主渦胞將向側壁面移動，尺寸增大，Re＜500時，沿近似對數曲線增加，Re＞500時沿近似線性曲線增加；第二渦胞向側壁面移動，Re＜1190時渦胞尺寸增加，Re＞1190後受壓縮渦胞尺寸減小；第三渦胞尺寸線性增大。（3）隨著入口雷諾數的增大，上壁面壓強逐漸增大，剪應力也逐漸增大。（4）封油邊間隙h對流場有重要影響。隨著h增大，腔體內渦胞數量不變，尺寸增大，三個渦胞的尺寸和h成線性關係；腔體內壓強減小，剪應力基本保持不變，在封油邊間隙處逐漸減小。（5）腔體深度H對流場有重要影響。隨著H的增大，渦胞數量減小，渦胞尺寸逐漸增大，並沿徑向方向向外移動，各個渦胞出現的臨界雷諾數減小。入口雷諾數較小時，渦胞尺寸和腔體深度成線性關係，隨著入口雷諾數的繼續增大，渦胞尺寸開始減小。（6）承載面靜止時，腔體凹槽內有一個大的三維軸對稱渦胞(H=11 mm, h=1 mm)，隨Re從35增大到2100，渦胞尺寸增大，並沿著徑向方向向外移動。（7）承載面運動情況下，Re=448 和承載面運動雷諾數Res=74.6時腔體凹槽中存在四個渦胞。在x-z截面有三個渦胞，垂直於z軸方向的平面存在第四個渦胞和一個U字形主流區。不同z平面的速度變化劇烈，在U形主流動區域的左側存在一個C字形的凹坑。（8）根據渦胞結構和數量定義了四種流動狀態。油邊間隙h對流動狀態影響較小，但對承載面壓力影響很大，隨著h的減小壓力急劇增大。當h/H＜0.0455時承載面上壓力基本上是均勻的。當h=0.1mm，腔體凹槽深度H對承載面壓力影響較小，但對腔體凹槽內流線分布影響顯著。上述實驗結果與數值模擬吻合，結果表明剪下力與壓力共同驅動的圓形Rayleigh 台階腔體內部流動存在複雜的三維渦胞結構，腔體幾何參數、入口雷諾數和剪下率對腔體流場結構具有重要影響。
