超声速侧向喷流干扰流场的稀薄效应研究

反作用控制系统(RCS)具有响应快速、控制灵活的特点,在临近空间飞行任务中可实现飞行器的精准姿轨控制,然而连续流区建立的侧向喷流干扰在稀薄流域逐渐弱化甚至失效。为了解决这一问题,针对平板和楔形块两种构型,采用直接模拟蒙特卡罗方法(DSMC)开展了超声速侧向喷流/高超声速来流相互干扰流场的稀薄效应研究。结果表明:平板和楔形块喷流干扰流场均出现经典干扰结构,如多涡、多激波等;特别地,楔形块构型中出现类似马赫杆的特殊弓形激波结构,其由大入射角前缘激波与喷流弓形激波相互干扰而形成。随着流动逐渐变得稀薄,喷口前涡结构逐渐减小至消失,激波增厚且干扰减弱,特殊弓形激波结构逐渐消失。基于壁面压力、切应力和热流系数分别定义了3种无量纲干扰强度和干扰区长度,均与克努森数呈近似幂律递减关系。超声速喷流干扰作用对平板与楔形块壁面热流的增长最显著,受到的稀薄效应抑制作用也最强;干扰区长度与气动特性参数无关,与本文的两种几何构型也无关。

稀薄效应对空气静压止推轴承性能影响

针对微小间隙下空气静压轴承内部气体的稀薄效应问题,通过将体现稀薄效应的流量因子引入雷诺方程中,推导出体现可压缩气体稀薄效应的雷诺方程,运用有限差分法离散方程,通过MATLAB软件分析稀薄效应下轴承内部压强分布,并对轴承承载力和刚度变化进行研究,最后通过试验对得出的结论进行间接验证。结果表明,在气膜间隙8~10μm之间,考虑稀薄效应中流量因子的情况下得到的轴承刚度值与试验测量值比较接近,在量值上相差大约为20%左右,这为微尺度下轴承性能的研究提供一定的理论依据。

气体稀薄效应对微机电系统(MEMS)气体轴承-转子系统不平衡响应的影响

为研究气体稀薄效应对微机电系统(MEMS)气体轴承-转子系统不平衡响应的影响,给出了MEMS气体轴承-转子系统运动方程和MEMS气体轴承的雷诺方程;利用双向隐式差分算法,给出了修正雷诺方程的详细数值求解过程;将转子运动方程与雷诺方程相结合,采用4阶龙格-库塔方法计算分析了气体稀薄效应对气体轴承-转子系统不平衡响应的影响。研究结果显示,考虑气体稀薄效应后,当质量偏心距较大时,MEMS气体轴承-转子系统的失稳轴颈转速较大,表明合适的偏心质量有助于改善系统的稳定性;在相同的质量偏心距下,考虑气体稀薄效应时气体轴承-转子系统在较低轴颈转速处出现峰值,表明此时不平衡偏心质量对气体轴承-转子系统运动的影响增大。

基于稀薄效应的微气体径向轴承稳态性能

针对微气体轴承给出参考努森数的定义,根据空气不同温度时的黏度,得到参考努森数的分布范围;考虑气体稀薄效应,给出基于Burgdorfer一阶滑移速度边界的微气体径向轴承润滑Reynolds方程的修正形式;采用有限差分法求解修正的Reynolds方程,得到不同参考努森数Kn_0,轴承数以及轴颈偏心率情况下轴承的压力分布、无量纲承载能力及偏位角。数值分析表明:随气体稀薄程度的增强,气体径向轴承的压力明显降低,无量纲承载力降低,而轴承偏位角增大。当偏心率小于0.6时,轴承偏位角变化平缓,受Kn_0数的影响不明显。当轴承数较小时,气体稀薄程度对轴承的无量纲承载力、偏位角影响较小。

磁头/磁盘系统气体稀薄效应的影响与数值分析

结合理论和数值计算分析了稀薄效应对磁头/磁盘系统纳米间隙润滑的影响。从膜厚的角度来看,低于气体分子平均自由程的比例并不大。而从膜厚和压力2方面来看,处于稀薄效应区域的比例将大大增加。实际的磁头/磁盘系统中,磁头的大部分仍工作在稀薄气体的滑流区域,离稀薄气体的过渡区还较远。考虑稀薄效应后,磁头/磁盘系统的重要工作性能参数,都有减小的趋势。

稀薄效应下空气静压主轴动态特性分析及试验研究

针对微尺度下空气静压主轴的动态特性问题,建立了体现稀薄效应的主轴有限元模型,对主轴的模态、谐响应进行了研究。首先,基于有限元法对主轴进行建模,轴承部分采用Combin14弹簧单元建模。接着,通过扰动法得出稀薄效应下以及传统情况下轴承的刚度、阻尼参数,将此参数替代主轴模态分析中采用的弹簧单元的刚度、阻尼参数,结合主轴实际工作状态,进而分析出两种情况下的主轴的模态结果。然后,对主轴进行谐响应分析,校核之前模态分析结果。最后,对主轴进行锤击模态试验,从而检验两种状态下的模态分析结果。实验结果表明:稀薄效应下分析所得主轴1阶固有频率值较试验测量值的误差只有3.6%左右,而传统情况下得出的1阶频率值的误差在15%左右,这对主轴系统以后的优化设计和精度控制方面具有一定的理论依据。

考虑气体稀薄效应修正Reynolds方程的新模型及其数值分析

硬盘中磁头和磁盘之间的气膜厚度已接近或小于分子平均自由路径,为了更精确地模拟气膜的压力分布,Reynolds方程必须要考虑气体稀薄效应的影响。基于硬盘中常用的修正Reynolds方程——FK模型,提出一种修正Reynolds方程的新模型,并且通过最小二乘有限差分法求解该Reynolds方程。分别利用FK模型和新模型,研究气膜数对承载力和压力中心的影响,并比较2种模型的计算时间。结果表明,2种模型所得的数值模拟结果具有很好的一致性,但新模型的计算效率高于FK模型。

稀薄效应对空气静压导轨速度边界和温度特性的影响

当空气静压导轨气膜厚度为微米级别时,依据Kn数定义可知此时气膜内流动可能处于滑移区,气浮支撑的内部压力和承载特性会受到稀薄效应的影响,最典型的表现为边界速度滑移和温度跃迁现象。将基于格子Boltzmann方法研究稀薄效应对空气静压导轨速度边界和温度特性的影响,得到气膜径向速度和温度分布。通过机理分析和数值计算发现:随着Kn数的增大,速度滑移程度增大;而速度滑移间接引起黏温效应,导致边界温度跳跃现象。温度跳跃相当于在导轨与气膜之间的一个附加热阻,增加流动的摩擦损耗,影响散热。

微细圆管中气体流动的稀薄效应和可压缩效应

采用有限差分法计算了微细圆管中的气体流动 .当Knudsen数处于 1 0 -3与 1 0 -1之间时 ,气体的稀薄效应造成流动气体与管壁之间的相对滑移 .计算结果详细描述了边界滑移对管摩擦系数及流量的影响 .计算还表明 ,虽然在微细圆管的气体流动中马赫数很小 ,但由于同时也具有很低的雷诺数及很小的管径、管长比 。

考虑稀薄效应的页岩视渗透率研究

页岩孔隙细小,页岩气在页岩孔隙中的渗流会受到稀薄、克努森扩散、滑移效应的影响。为了表征页岩中气体渗流能力,在考虑稀薄效应对气体黏度影响的基础上,对气体质量通量方程进行了修正,得到了考虑稀薄效应、克努森扩散、滑移效应和孔隙壁面粗糙度的视渗透率计算模型。研究表明,当温度一定时,考虑稀薄效应影响的页岩视渗透率比不考虑稀薄效应的视渗透率大,两者间的差值随着压力的降低而减小。当压力一定时,考虑稀薄效应的页岩视渗透率比不考虑稀薄效应的视渗透率大,两者间的差值随着温度的增加而增大。当温度和压力都恒定时,考虑稀薄效应的页岩视渗透率比不考虑稀薄效应的视渗透率大,两者间的差值随着孔隙半径减小而增大。

基于粘度影响的稀薄效应下壁面速度滑移的数学建模

以气膜分层理论为基础,根据近壁层、稀薄层、连续流层内分子运动形式,结合层内黏度的变化特征,建立壁面滑移模型,并给出相应的数学表达式。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。

纳米高度工作磁头的稀薄区域与稀薄效应分析

利用考虑稀薄气体效应修正的Reynolds方程对飞高在10nm附近的负压磁头的稀薄区域进行了数值计算.根据计算结果对其所处的稀薄区域和稀薄效应对磁头飞行性能的影响进行了分析和讨论.分析结果表明:磁头工作在滑流区和过渡区,并随着速度增加明显向过渡区移动;稀薄气体效应最大处不是发生在飞高最薄的尾部,而是发生在飞高较薄、压力较低的边缘区;考虑稀薄效应对载荷和最大压力有所降低,而对最小压力的影响较小.

高超声速流存在局部稀薄效应的一个判据及相应的流动特性

对于近空间高超声速飞行器的研制,计算流体力学(CFD)起着非常重要的作用。但若流场中存在必须考虑气体稀薄效应的地方,传统的CFD就要做相应的改变,这时首先遇到的问题将是判断是否需要考虑气体的稀薄效应的判据应该是什么?[1]其次就是气体稀薄效应的影响表现在什么地方?如何在CFD中考虑这一效应?本文选取具有代表性的高超声速剪切流为研究对象,采用直接模拟Monte Carlo(DSMC)方法,对剪切强度和稀薄程度不断增强的流动,研究了分子运动速度分布函数以及剪切力的相应变化规律;找到了一个可以判别气体稀薄效应程度的无量纲参数Zh,以及传统连续介质模型下的剪切力和由DSMC所得剪切力随参数Zh的增大而出现的有规律性的差别。

稀薄效应对动压气体轴承静动特性的影响

为研究稀薄效应对微小间隙下动压气体轴承静动态特性的影响,分别采用连续模型、一阶滑移模型以及在任意克努森数下都与线性玻尔兹曼方程解有较高吻合的WU新滑移模型,基于有限体积法建立考虑稀薄效应的静动态Reynolds方程,给出3种模型下轴承静态承载力与偏心率、轴颈扰动频率与轴承动特性系数的变化关系。数值分析结果表明:随偏心率的变化,连续模型预测的静态承载力最大,一阶滑移次之,WU新滑移模型预测的值最小;随着扰动频率的增加,考虑滑移模型计算的主刚度系数和主阻尼系数均有减小的趋势,且WU新滑移模型计算的主刚度系数和主阻尼系数明显低于连续模型和传统的一阶滑移模型。传统连续模型和一阶滑移模型过高地估计了轴承的静动特性系数,WU新滑移模型计算的结果更为准确。

稀薄效应对静压气体轴承性能影响

针对微小气膜间隙下静压气体轴承内部气体的稀薄效应,运用有限体积法离散了体现稀薄效应的滑移修正Reynolds方程,通过MATLAB软件分析稀薄效应下轴承内部压强,并对轴承承载力及最终刚度变化进行研究。通过与不考虑稀薄效应的连续模型对比发现,当气膜间隙小于1μm时,最小气膜间隙处一阶滑移及Wu新滑移模型的气压、承载力及最终刚度远低于连续模型,模型间的结果偏差随气膜间隙的减小而迅速增大。

高超声速圆柱绕流中驻点热流的稀薄效应

采用Fay-Riddell关系式、直接模拟Monte Carlo方法和基于直接模拟Monte Carlo流场温度的Fourier传热三种热流表达方式,分别对比研究了不同来流克努森数(Kn)和不同来流马赫数(Ma)的结果,以期从微观视角给出经典连续方法在稀薄流区高估驻点热流的新理解。结果表明,驻点热流的稀薄效应体现在三个方面:一是温度跳跃,削弱温度梯度导致驻点热流降低;二是壁面附近平动非平衡,导致Fourier热传导定律失效且高估热流;三是壁面约束,致使Fourier热传导定律在距壁面3倍分子平均自由程内高估热流。

稀薄效应对径向气体轴承承载性能的影响

基于超薄气膜润滑理论,通过引入微尺度条件下气体稀薄效应流量因子,推导考虑稀薄效应的气体润滑轴承雷诺方程,并采用有限差分法对其进行离散求解,数值分析了不同偏心率、半径间隙以及转速对气膜压力分布、承载力的影响规律,并与未考虑稀薄效应的数值结果进行比较。结果表明:稀薄效应的存在并不会影响压力分布规律,其中气膜压力分布具有非线性,并沿着轴向呈抛物线状;最大压力及承载力随转速和偏心率的增大而增大,随着半径间隙的增大而减小;当考虑气体稀薄效应时,气膜各点压力水平及承载力相比于未考虑时有所下降;当半径间隙越小,偏心率越大时,气体稀薄效应越显著,最大压力及承载力的变化幅度也越明显。

气体稀薄效应对热流计算的影响

临近空间高超声速飞行器的研发越来越受到关注。周恒和张涵信在《中国科学》上的《空气动力学的新问题》一文中分析了在此情况下现有的空气动力学的不足,其中之一就是需要考虑流场中可能出现的局部稀薄气体效应,并且针对临近空间高超声速飞行器边界层进行了详细的分析。陈杰和赵磊在此基础上研究了强剪切下的气体稀薄效应,给出了判别气体稀薄效应的无量纲参数 Zh ,并提出对传统连续介质模型中的黏性系数基于Zh参数进行修正。本文将通过类似的研究方法,采用DSMC (Direct Simulation Monte Carlo)研究纯导热问题中的气体稀薄效应,通过对粒子速度分布函数的分析提出了相应的刻画气体稀薄效应的参数Zh T,获得了依赖参数Zh T的导热系数修正规律,并进一步将该修正规律纳入CFD (Computational Fluid Dynamics)计算,验证了该算法对圆柱绕流问题表面热流预测的精度。

考虑稀薄效应的微槽道流动线性稳定性

微槽道是微机电系统(MEMS)的重要组成部件,小尺度特征引起的稀薄效应是影响其流动稳定性不可忽视的重要因素,发展适用于稀薄流的稳定性分析方法,揭示稀薄效应对微槽道流动稳定性的影响规律,对于微机电系统功能的实现和性能的改善具有重要意义。基于Boltzmann Bhatnagar-Gross-Krook(Boltzmann-BGK)方程,结合Maxwell边界条件,通过求解特征值问题的方法对恒温情况下的平板Couette和平板Poiseuille流动的稳定性进行了参数影响分析。另外,现有针对Rayleigh-Bénard流动的研究集中于单原子气体,采用Navier-Stokes方程结合滑移修正边界条件的方法,分析了单、双原子气体对Rayleigh-Bénard流动稳定性的影响,并考虑了不同的分子模型。结果表明,对于平板Cou⁃ette和平板Poiseuille流动,稀薄效应以及增大适应系数均起稳定作用;增大马赫数对Poiseuille流动起不稳定作用,而对Couette流动稳定性的影响规律与扰动波的形式(驻波或行波)相关,当扰动波形式相同,增大马赫数起不稳定作用,当扰动波形式不同,存在马赫数越大流动越稳定的情况。对于Rayleigh-Bénard流动,相较于变硬球和变软球模型的单或双原子气体,硬球双原子气体具有最大的不稳定参数范围;当波数较大时,稀薄效应起稳定作用,当波数较小时,存在稀薄程度越大增长率越大的情况。

超声速弹丸高空流场数值模拟与稀薄气体效应研究

利用直角坐标网格技术研究高超声速稀薄气体流动的DSMC模拟方法,编制了高空弹丸外流场数值模拟通用计算程序,将本方法的计算结果与有关文献中公布的理论模型数据进行了对比,验证本方法的正确性。模拟了稀薄流下不同海拔高度尖拱型弹头和其他外形弹头的在超声速来流中的流场,并推广至不同外形弹头气动受力情况的计算,研究其稀薄效应。分析比较发现了随着海拔高度的升高,稀薄效应使弹丸的激波层厚度增加,外部流场压缩性减弱,表面的热流密度有所降低。相比于尖拱型弹头,钝头弹丸在驻点处所受的压力较小,尾部较强,符合高超声速飞行器钝头弹体的受力规律。