圆形Rayleigh台阶腔体流动特性的PIV实验及数值模拟研究

针对数控机床中的圆形Rayleigh台阶腔体流动特性问题，首次开展流体力学模型实验,利用粒子图像测速技术(PIV)和显微粒子图像测速技术(Micro-PIV),进行流场测速研究，并将腔体流动分为凹槽内流动和节流边微流动。本项目以实验研究为主，结合数值模拟，揭示腔体几何形状、入口雷诺数、承载面剪切率等因素对凹槽流场涡胞结构及液体薄膜刚度的影响，分析亲疏水性对节流边微流动的影响，并探索压力驱动下径向发散的环形缝隙内的边界滑移问题。本项目的研究成果，可为解决如何提高高档数控机床的精度和稳定性这一核心技术难题提供理论指导，并可为微流动及边界滑移问题研究提供参考。

本项目针对高档数控机床液体静压支承系统中圆形Rayleigh台阶腔体内流动特性问题，设计加工了实验模型，利用粒子图像测速系统和显微粒子图像测速系统，开展了流场测速实验，并结合数值模拟，研究了压力与剪切力共同驱动腔体内部流动特性问题，基本完成了预定研究内容，研究发现：（1）入口雷诺数Re对涡胞结构有重要影响，随Re增大，腔体内涡胞数量不断变化，Re>350时承载面附近出现第二涡胞，Re>1400时，下壁面附近出现第三涡胞。（2）入口雷诺数Re对涡胞尺寸和位置有重要影响，随Re增大，主涡胞将向侧壁面移动，尺寸增大，Re<500时，沿近似对数曲线增加，Re>500时沿近似线性曲线增加；第二涡胞向侧壁面移动，Re<1190时涡胞尺寸增加，Re>1190后受压缩涡胞尺寸减小；第三涡胞尺寸线性增大。（3）随着入口雷诺数的增大，上壁面压强逐渐增大，剪应力也逐渐增大。（4）封油边间隙h对流场有重要影响。随着h增大，腔体内涡胞数量不变，尺寸增大，三个涡胞的尺寸和h成线性关系；腔体内压强减小，剪应力基本保持不变，在封油边间隙处逐渐减小。（5）腔体深度H对流场有重要影响。随着H的增大，涡胞数量减小，涡胞尺寸逐渐增大，并沿径向方向向外移动，各个涡胞出现的临界雷诺数减小。入口雷诺数较小时，涡胞尺寸和腔体深度成线性关系，随着入口雷诺数的继续增大，涡胞尺寸开始减小。（6）承载面静止时，腔体凹槽内有一个大的三维轴对称涡胞(H=11 mm, h=1 mm)，随Re从35增大到2100，涡胞尺寸增大，并沿着径向方向向外移动。（7）承载面运动情况下，Re=448 和承载面运动雷诺数Res=74.6时腔体凹槽中存在四个涡胞。在x-z截面有三个涡胞，垂直于z轴方向的平面存在第四个涡胞和一个U字形主流区。不同z平面的速度变化剧烈，在U形主流动区域的左侧存在一个C字形的凹坑。（8）根据涡胞结构和数量定义了四种流动状态。油边间隙h对流动状态影响较小，但对承载面压力影响很大，随着h的减小压力急剧增大。当h/H<0.0455时承载面上压力基本上是均匀的。当h=0.1mm，腔体凹槽深度H对承载面压力影响较小，但对腔体凹槽内流线分布影响显著。上述实验结果与数值模拟吻合，结果表明剪切力与压力共同驱动的圆形Rayleigh 台阶腔体内部流动存在复杂的三维涡胞结构，腔体几何参数、入口雷诺数和剪切率对腔体流场结构具有重要影响。