载磁性纳米粒子气膜润滑流场主动控制研究

To explore the mechanism of "Active control of lubrication flow in magnetic nanoparticles-laden gas film", the enhancement effect of magnetic nanoparticles on the whole gas film stiffness and the depression mechanism of the local negative pressure in the gas film are studied by both experimental and theoretical approaches. The research methods are as follows. (1) Based on the microscopic analysis of the state of nanoparticles aggregation, combined with their motion patterns, the effects of particle size and porosity of magnetic nanoparticles aggregation on the whole flow of gas film are studied. Then, the variation of the gas film load capacity and stiffness are measured and the enhancement mechanism of magnetic nanoparticles on the gas film is clarified. (2) By changing the distribution and the aggregation forms in the growth direction of the magnetic nanoparticles, the coupling effect of gas and nanoparticles on the gas film lubrication properties with porous nanoparticles micellar is explored. Pressures in nanoparticles adsorption region are measured, combined with gas-solid fluid dynamics simulations, the mechanism of depression effect of magnetic nanoparticles on film negative pressure zone is clarified. According to results, the gas film stiffness enhancement caused by the movement of magnetic nanoparticles will be revealed, and the depression mechanism of magnetic nanoparticles on film negative pressure zone will be clarified. Finally, the study provides a theoretical basis and technical support for the new gas film bearings design in the future.

为了探索“载磁性纳米粒子气膜润滑流场主动控制”的方法和机理，围绕磁性纳米粒子对气膜整体刚度的增强效应和磁性纳米粒子对气膜局部的负压抑制机理等两项内容开展实验与理论研究。研究方法如下：（1）基于纳米粒子团聚状态微观分析的结果，结合纳米粒子微团在磁场中的运动状态，研究不同团聚粒径和孔隙率的磁性纳米粒子微团对气膜整体流场的影响；测量相同气膜厚度下承载能力和刚度的变化，阐明磁性纳米粒子对气膜整体刚度和承载能力的增强效应。（2）改变磁性纳米粒子的团聚生长方向和分布形式，探索气体粒子耦合作用下磁性纳米粒子多孔质微团对气膜局部流场的影响；测量气膜内纳米粒子强化吸附区域压力的变化，结合气固两相流动力学模拟结果，澄清磁性纳米粒子对气膜负压区的抑制机理。研究成果将阐明磁性纳米粒子运动引起的气膜刚度增强效应，揭示磁性纳米粒子对气膜负压区的抑制机理，为新型气膜轴承的设计提供理论基础和技术支持。

磁性纳米粒子气膜是指将磁性纳米粒子添加在空气轴承中形成气固两相流润滑膜，被用于解决气体润滑承载能力低与相对运动表面过载接触的问题。为探索“载磁性纳米粒子气膜润滑流场主动控制”的方法和机理，围绕磁性纳米粒子对气膜整体刚度的增强效应和磁性纳米粒子对气膜局部的负压抑制机理等两项内容开展实验与理论研究。. 分析磁性纳米粒子的物性，并研究磁性纳米粒子的分散与控制方法。采用Monte Carlo方法模拟了磁性纳米粒子的团聚过程，并计算了其团聚粒径。研制开发阵列式电磁场加载装置，通过改变磁场形状（圆环，间断式圆环，直线均步，等速螺线等）调节气膜内磁性纳米粒子的分布。.揭示了浓度和气膜厚度对气膜整体刚度和承载能力的影响规律；通过计算流体动力学模型对气膜内的压力分布进行解析，得到磁性纳米粒子对承载能力的增强机理。研究发现，在气膜内加入磁性纳米粒子后，气体-磁性纳米粒子混合物流速逐渐降低，超声速流动现象会被抑制，甚至消除。由于磁性纳米粒子对空气流动具有阻滞作用，表现出来的现象就是测得的气体-磁性纳米粒子混合物黏度变大，进而使得承载能力增加。. 澄清了粒子浓度和接触载荷对磁性纳米粒子诱导的固体膜润滑状态摩擦系数和表面粗糙度的影响规律；采用扫描电镜对磁性纳米粒子诱导的固体膜润滑表面的摩擦磨损微形貌进行测量与分析；通过图像分析研究磁性纳米粒子成膜分布状态，得到磁性纳米粒子减摩机理。研究发现，填充在两粗糙表面之间的磁性纳米粒子粗糙峰挤压接触时被压紧或压入金属基体，在表面形成了不连续的润滑膜。磁性纳米粒子将压力均化防止了金属表面粗糙峰发生塑性断裂，而产生大的磨粒，减小了摩擦系数。. 研究成果对拓展磁性纳米粒子气膜在各种极端工况环境的应用，及探究磁性纳米粒子气膜润滑理论具有重要的科学和工程意义。. 在本项目资助下，已正式发表5篇，其中SCI收录1篇，EI收录2篇；申请发明专利5项；培养硕士研究生4名。