微尺度稀薄气体对空气静压导轨的影响

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。

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。

空气污染最常见的后果之一是大气能见度降低。一般说来，对空气能见度或清晰度有影响的污染物，应是气溶胶粒子、能通过大气反应生成气溶胶粒子的气体或有色气体。因此，对能见度有潜在影响的污染物有：①总悬浮颗粒物(TSP)；②SO₂和其他气态含硫化合物，因为这些气体在大气中以较大的反应速率生成硫酸盐和硫酸气溶胶粒子；③NO和NO₂，在大气中反应生成硝酸盐和硝酸气溶胶粒子，还在某些条件下，红棕色的NO₂会导致烟羽和城市霾云出现可见着色；④光化学烟雾，这类反应生成亚微米级的气溶胶粒子。

能见度的气象学定义是：在指定方向上仅能用肉眼看见和辨认的最大距离：①在白天，能看见地平线上直指天空的一个显著的深色物体；②在夜间，能看见一个已知的、最好未经聚焦的中等强度的光源。能见度观测是观测者通过对指定方向上一个目标的反差度的估计而对光衰减的主观评价。如果观测者视力完好，则这种反差度极限估计为2%。通常认为，普通观测者需要接近5%的反差度才能辨别出以背景为衬托的物体。

反差度的降低及大气能见度的下降，主要是大气中微粒对光的散射和吸收作用所造成的。还有某些散射是空气分子引起的，这就是瑞利散射过程。大气中由散射引起的光衰减，主要是由与入射光波长相近的粒子造成的。可见光辐射波长约为0.4～0.8μm，其最大强度为0.52μm左右。因此，粒径处于0.1～1.0μm的亚微米级范围内的固体和液体粒子对能见度降低的影响很大。城市大气中硫酸盐的粒径大多小于2μm，粒径分布峰值为0.2～0.9 μm，因而这类气溶胶的存在会引起能见度明显降低。

空气能见度的降低，不仅会使人感到不愉快，而且会造成极大的心理影响，还会产生交通安全方面的危害。

对于尺度的划分，不同的研究机构、不同研究领域的研究人员有不同的见解。材料学专家认为：10-12m～10-9m 之间的尺度属于量子力学研究范畴；1 -9m～10-6m之间的尺度属于纳观力学研究范畴；10-6m～10-3m之间的尺度属于介观力学研究范畴；1-3m～10-0m之间的尺度属于微观力学研究范畴；大于10-0m的尺度属于宏观力学研究范畴。而机械加工学科常常以10-6m(1μm)为加工误差尺度，传统切削加工的误差尺度多以丝来衡量(1丝=10μm)，精密加工的误差尺度可达到微米级。由此可见：材料学以研究对象的特征长度作为尺度划分的依据，机械加工领域以研究对象的加工精度作为尺度的划分依据，从而把机械加工划分普通加工、精密加工和超精密加工等，并没有涉及到工件加工特征尺度的大小。

对多孔结构强化换热、多孔结构中对流换热机理、多孔结构微尺度换热器及微槽道微尺度换热器进行了深入的实验研究、数值模拟、理论分析和优化设计。取得了创新性成果。提出了修正的热弥散导热系数计算模型。改进了多孔结构局部非热平衡模型。数值模拟结果与实验数据很好地吻合。多孔结构使对流换热系数提高10倍左右。提出了判断颗粒直径对多孔结构中对流换热影响的判据。多孔式微型换热器的传热性能优于微槽式微型换热器，扁槽结构优于深槽结构；多孔式微型换热器中的压降最大深槽结构微型换热器中的压降最小；深槽结构微型换热器的传热和流动阻力的综合性能最好所得到的最大单位体积传热系数为86.3MW/（m（3）K）。获得一项实用新型专利，发表学术论文十余篇。