氣墊懸浮運(yùn)輸系統(tǒng)氣墊單元承載特性的CFD仿真

蘇永紅, 姚平喜, 張慶慧

(1.山西廣播電視大學(xué)理工與農(nóng)醫(yī)學(xué)院， 山西太原 030024； 2.太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 山西太原 030027； 3.太原城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程系， 山西太原 030001)

引言

氣墊技術(shù)是20世紀(jì)50年代后期出現(xiàn)的一種實(shí)用工業(yè)技術(shù)，被廣泛地用于大型設(shè)備的移動(dòng)或在狹窄空間的移動(dòng)及定位[1]。它主要利用壓縮空氣給橡膠密封裝置—橡膠圍裙或橡膠膜片充氣， 與地面形成一層很薄的高壓氣膜， 在工作時(shí)懸浮于地面上方幾毫米,使地面和氣墊之間摩擦幾乎降低為0[2]， 因此具有承載力大、對地面破壞小、底盤低、摩擦力小等優(yōu)點(diǎn)。國外氣墊轉(zhuǎn)運(yùn)設(shè)備發(fā)展較早，種類繁雜，廠家主要有美國Aerogo、芬蘭Solving和德國DELU,主要供應(yīng)氣墊單元和集成有驅(qū)動(dòng)裝置的氣墊轉(zhuǎn)運(yùn)車。

氣墊由壓縮空氣供應(yīng)動(dòng)力，壓縮空氣的壓力決定了氣墊的承載特性，因此有必要研究氣墊的流場特性，為氣墊和動(dòng)力源的設(shè)計(jì)和選型提供理論依據(jù)。國內(nèi)外學(xué)者對氣墊承載特性的研究并不多，但也進(jìn)行了初步探索，其中李學(xué)科將氣墊系統(tǒng)氣膜的承載問題簡化為二維氣體的潤滑問題，使用雷諾方程表示，用有限元的方法進(jìn)行數(shù)學(xué)求解，對氣墊的承載特性、壓力分布等情況進(jìn)行了分析。GUO Shen，LIU Jian等通試驗(yàn)的方法對氣墊帶式輸送機(jī)在穩(wěn)定載荷作用下的氣膜形成特性進(jìn)行了研究，得出了氣墊穩(wěn)定載荷下的氣膜厚度的分布規(guī)律。目前對氣墊單元承載特性的CFD仿真文獻(xiàn)未見報(bào)道，因此本研究將利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析軟件Fluent來研究氣墊單元在形成一定厚度氣膜時(shí)流場的氣動(dòng)特性，并對氣墊的承載特性進(jìn)行初步探索。

1 氣墊工作原理

氣墊懸浮運(yùn)輸系統(tǒng)的核心是氣墊單元[3]，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。

1.鋁合金支撐板 2.地面 3.橡膠氣囊圖1 氣墊單元結(jié)構(gòu)簡圖

氣墊單元的工作原理[4]是：利用壓縮空氣，通過環(huán)形氣墊抬升重物使之懸浮，其工作過程如圖2所示。

圖2 氣墊單元工作過程

初始狀態(tài)時(shí)，裝置和重物的全部重量通過支架由地面支撐， 工作時(shí)壓縮空氣通過氣管進(jìn)入環(huán)形氣囊，使其膨脹，當(dāng)支撐板離開地面后繼續(xù)增加壓力；當(dāng)壓力增加到超過支撐板所承載的重物重量時(shí)，氣囊也離開地面，這時(shí)壓縮空氣從地面與氣囊之間的縫隙中溢出，形成一層薄薄的氣膜，也就是空氣墊，若此時(shí)保持一定壓力和氣量，氣膜可處于動(dòng)態(tài)平衡中，氣墊單元能保持在穩(wěn)定的懸浮狀態(tài)，此時(shí)地面與氣墊之間的摩擦力幾乎為0，重物就可以被輕松移動(dòng)。氣墊懸浮技術(shù)對地面要求較高，不僅要求平整，而且不能有縫隙。

2 氣墊孔口出流的流動(dòng)條件

氣墊在承載過程中，氣墊孔口出流會(huì)形成氣膜，因此氣墊孔口的出流應(yīng)遵守相關(guān)流體力學(xué)的定律，關(guān)于這些定律的數(shù)學(xué)描述主要就是流體控制方程，它們是氣墊控制的理論基礎(chǔ)。本研究將相關(guān)理論方程結(jié)合實(shí)際參數(shù)的應(yīng)用，探尋氣墊流場壓力和速度分布以及氣墊承載力、供氣量等技術(shù)參數(shù)與供氣壓力、氣膜厚度、進(jìn)氣孔徑等設(shè)計(jì)參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

氣墊單元與地面之間形成高壓氣膜是氣墊車正常工作的必要條件[5]。氣墊以可壓縮介質(zhì)空氣為動(dòng)力，從環(huán)形縫隙溢出，當(dāng)氣量足夠多時(shí)，環(huán)形縫隙阻力與負(fù)載平衡，形成氣膜。當(dāng)負(fù)載不變，氣量越大，環(huán)形縫隙越大，形成的氣膜厚度也就越大。流體在氣墊車內(nèi)部的流動(dòng)機(jī)理比較復(fù)雜，為便于分析，在不影響研究目的的前提下，本研究對氣墊流場的分析不考慮氣體黏性，對氣墊孔口出流的流動(dòng)條件做以下假設(shè)[6]：

(1) 假設(shè)氣墊為等溫流動(dòng)過程，氣墊流量方程可以不考慮熱熵條件，因?yàn)槭橇黧w的大流量溢流，也可不考慮它的散熱條件；

(2) 供氣壓力和大氣壓力恒定，溫度為室溫300 K且恒定不變；

(3) 氣墊的泄漏忽略不計(jì)；

(4) 氣墊中的氣體是均勻分布的，且各點(diǎn)參數(shù)在每一瞬時(shí)都是相同的；

(5) 氣墊孔口出流的動(dòng)態(tài)過程中，各參數(shù)的變化僅是一個(gè)微小量；

(6) 所用工作介質(zhì)為理想氣體，無黏性，滿足理想氣體的狀態(tài)方程。

3 氣墊承載特性的流場仿真

3.1 流場建模

對于許多工程問題分析時(shí)，已不能完全用實(shí)驗(yàn)的方法來解決。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，越來越多的利用計(jì)算機(jī)來建立相關(guān)模型，進(jìn)行工程仿真分析，進(jìn)而得到相應(yīng)的數(shù)據(jù)和結(jié)果，從而為解決實(shí)際工程問題提供了理論依據(jù)[7]。本研究將以某型號氣墊為例對其氣墊承載特性進(jìn)行流場仿真，該氣墊的具體參數(shù)如表1所示。

表1 氣墊單元參數(shù)

根據(jù)氣墊形成氣膜穩(wěn)定工作時(shí)的條件，進(jìn)行仿真研究主要目的是為了了解流場的入口速度、氣膜的壓力分布以及氣膜承載特性情況，因此在不影響研究目的的前提下作必要的簡化，在三維軟件中進(jìn)行建模，入口直徑20 mm,高度53 mm，氣膜最大直徑530 mm,其中關(guān)鍵是氣膜厚度尺寸0.5 mm，尺寸越小，網(wǎng)格劃分越難，得到氣墊單元和流場的模型如圖3所示。

圖3 氣墊單元和流場模型

3.2 流場模型離散化

由于流場的模型中氣膜厚度尺寸相較其他位置尺寸突變較大，給網(wǎng)格劃分帶來困難。網(wǎng)格質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到代數(shù)求解方程的工作量和收斂性，因此采用專業(yè)的網(wǎng)格劃分軟件Hypermesh進(jìn)行離散，先對壁面進(jìn)行劃分，采用四邊形和三角形混合的方式，然后劃分體網(wǎng)格，邊界層采用Simple Pyramid算法，共得到1799215個(gè)單元，730679個(gè)節(jié)點(diǎn)，最后進(jìn)行網(wǎng)格質(zhì)量檢查和無關(guān)性驗(yàn)證。劃分好的網(wǎng)格模型如圖4和圖5所示。

圖4 氣墊流場網(wǎng)格模型

圖5 單元放大圖

3.3 邊界條件和求解器設(shè)置

在建立仿真模型時(shí)設(shè)置氣膜厚度為0.5 mm，實(shí)際上氣膜厚度是隨壓力和進(jìn)氣量動(dòng)態(tài)變化的，通常在固定位置時(shí)，負(fù)載不變，故假設(shè)在穩(wěn)態(tài)時(shí)氣膜厚度固定不變，即氣墊壓力分布和進(jìn)氣量不變，這樣可以進(jìn)行定量分析,因此根據(jù)負(fù)載7000 kg，在ANSYS Fluent軟件中設(shè)定入口壓力0.5 MPa，出口壓力為0，運(yùn)行條件為大氣壓力0.101325 MPa，環(huán)境溫度300 K，流體介質(zhì)為理想氣體，采用無黏流體(Inviscid)模型。為提高計(jì)算精度，提高計(jì)算效率，算法設(shè)置為SIMPLE，密度、動(dòng)量和能量均設(shè)置為二階迎風(fēng)格式[8]。

4 計(jì)算結(jié)果分析

4.1 氣墊流場壓力和速度分析

在Fluent后處理軟件中讀取仿真結(jié)果，得到整個(gè)流場的壓力云圖(圖6)和速度云圖(圖7)，為了便于分析，同時(shí)給出相應(yīng)的一個(gè)截面云圖。由于是簡化分析，在建模時(shí)簡化了結(jié)構(gòu)，所以只需關(guān)注進(jìn)口與氣膜區(qū)域。

從圖6b可以看出，最大壓力位于氣墊入口處0.378 MPa，根據(jù)增壓室理論，氣墊壓力整體上是均勻分布的[9]，相對于0.5 MPa的入口邊界條件，有個(gè)壓力突變，是由于流道截面突變所致，隨著位移增加，壓力在入口流道均勻減小，是沿程壓力損失造成的，在氣室內(nèi)部壓力分布均勻，為0.23 MPa。進(jìn)入環(huán)形縫隙形成氣膜后，隨著其半徑增加，壓力逐漸減小，形成一個(gè)壓力梯度，氣膜中間位置的壓力為0.12 MPa，因此可以得出：對于氣墊懸浮的狀態(tài)，氣室內(nèi)壓力起主要作用，氣膜中的壓力起輔助作用。

圖6 壓力分布云圖

圖7 速度分布云圖

在速度云圖7b中進(jìn)口流道內(nèi)速度較大，最大289 m/s，位于流場截面突變處。氣膜中速度分布較為均勻，在出口附近速度變大，為200 m/s。

圖8為氣墊的速度矢量圖，可以看出速度的方向分布，在氣室內(nèi)受結(jié)構(gòu)約束形成一定的旋渦，對氣室內(nèi)速度方向的分布有一點(diǎn)影響，但是氣膜區(qū)域的速度方向是均勻向外發(fā)散，形成氣墊懸浮承載平衡狀態(tài)的必要條件。

圖8 速度矢量分布云圖

4.2 氣墊其他承載能力分析

氣墊搬運(yùn)系統(tǒng)涉及到的主要參數(shù)包括承重能力、供氣流量、進(jìn)氣壓力、氣膜厚度及進(jìn)氣孔徑等，這些參數(shù)對氣墊的承載特性有著至關(guān)重要的影響[10]，利用ANSYS Fluent對這些要素進(jìn)行仿真，可以對氣墊的承載特性進(jìn)行深入研究。

1) 承載量和供氣量與氣膜厚度、入口壓力的關(guān)系

在ANSYS Fluent中給定孔徑d=10 mm，改變氣墊的氣膜厚度h和進(jìn)氣壓力p，計(jì)算得到承載量和供氣量如圖9和圖10所示。由圖9看出承載量是隨氣膜的厚度增大而降低，入口壓力的升高而增大；由圖10可以看出供氣流量隨氣膜厚度和入口壓力的增大而增加。當(dāng)給定要求的承載量和供氣量時(shí)，由圖9和圖10得到不同的入口壓力和氣膜厚度。

圖9 承載量與氣膜厚度和入口壓力的關(guān)系

圖10 供氣量與入口壓力和氣膜厚度的關(guān)系

2) 承載量和供氣量與入口孔徑和氣膜厚度的關(guān)系

在ANSYS Fluent中設(shè)定入口進(jìn)氣壓力p=0.5 MPa，改變氣墊入口孔直徑d和氣膜厚度h，計(jì)算承載量和供氣流量，結(jié)果如圖11和圖12所示?？梢钥闯?，承載量和供氣量均隨入口孔直徑的增加而增大；當(dāng)氣膜厚度增加時(shí),氣墊的承載量下降而供氣量是增加的；由圖11可以看出來，入口孔徑越小，供氣量增大過程越平緩，這說明氣墊傳動(dòng)會(huì)越平穩(wěn)。

圖11 承載量與節(jié)流孔直徑和氣膜厚度的關(guān)系

5 結(jié)論

通過在ANSYS Fluent中對氣墊懸浮狀態(tài)時(shí)的穩(wěn)態(tài)進(jìn)行了數(shù)值仿真，得出：

圖12 供氣量與節(jié)流孔直徑和氣膜厚度的關(guān)系

(1) 氣墊流場的壓力分布在氣室中比較均勻，最大壓力位于流道入口處，氣膜區(qū)域壓力分布隨著半徑增加呈現(xiàn)遞減梯度;

(2) 氣墊流場的速度分布在入口區(qū)域和氣膜區(qū)域由于空間較小，速度比氣室內(nèi)較大。氣膜的大部分區(qū)域速度分布均勻，方向呈由內(nèi)向外輻射，在出口區(qū)域變大;

(3) 當(dāng)給定入口孔徑時(shí)，氣墊承載量隨著入口壓力升高而增加；而當(dāng)給定入口壓力改變孔徑時(shí)，承載量隨入口孔直徑的增加而增大，從提高氣墊的承載量的角度出發(fā)，可合理增加入口壓力 或者設(shè)計(jì)較大的入口孔徑;

(4) 通過仿真可以得出，為了氣墊傳動(dòng)的平穩(wěn)，氣墊的入口孔徑應(yīng)設(shè)計(jì)較小的尺寸，但是需要增加供氣流量。

以上數(shù)值的分布能較好的體現(xiàn)氣墊懸浮狀態(tài)下流場的分布情況及氣墊承載特性，可為氣墊承載系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供理論參考，但在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，需要對某些參數(shù)進(jìn)行修正。需要說明的是：在不影響研究目的的前提下，本研究的流體模型采用的是理想氣體無黏模型，實(shí)際上任何氣體都是有黏性的，所以忽略氣體黏性不可避免的會(huì)產(chǎn)生分析誤差，在后續(xù)研究中，將會(huì)對氣墊流場特性在有黏模型下進(jìn)行進(jìn)一步分析，以便對氣墊流場分布及承載特性做出更切近實(shí)際的研究。