气垫悬浮运输系统气垫单元承载特性的CFD仿真

苏永红, 姚平喜, 张庆慧

(1.山西广播电视大学理工与农医学院， 山西太原 030024； 2.太原理工大学机械工程学院， 山西太原 030027； 3.太原城市职业技术学院信息工程系， 山西太原 030001)

引言

气垫技术是20世纪50年代后期出现的一种实用工业技术，被广泛地用于大型设备的移动或在狭窄空间的移动及定位[1]。它主要利用压缩空气给橡胶密封装置—橡胶围裙或橡胶膜片充气， 与地面形成一层很薄的高压气膜， 在工作时悬浮于地面上方几毫米,使地面和气垫之间摩擦几乎降低为0[2]， 因此具有承载力大、对地面破坏小、底盘低、摩擦力小等优点。国外气垫转运设备发展较早，种类繁杂，厂家主要有美国Aerogo、芬兰Solving和德国DELU,主要供应气垫单元和集成有驱动装置的气垫转运车。

气垫由压缩空气供应动力，压缩空气的压力决定了气垫的承载特性，因此有必要研究气垫的流场特性，为气垫和动力源的设计和选型提供理论依据。国内外学者对气垫承载特性的研究并不多，但也进行了初步探索，其中李学科将气垫系统气膜的承载问题简化为二维气体的润滑问题，使用雷诺方程表示，用有限元的方法进行数学求解，对气垫的承载特性、压力分布等情况进行了分析。GUO Shen，LIU Jian等通试验的方法对气垫带式输送机在稳定载荷作用下的气膜形成特性进行了研究，得出了气垫稳定载荷下的气膜厚度的分布规律。目前对气垫单元承载特性的CFD仿真文献未见报道，因此本研究将利用计算流体动力学分析软件Fluent来研究气垫单元在形成一定厚度气膜时流场的气动特性，并对气垫的承载特性进行初步探索。

1 气垫工作原理

气垫悬浮运输系统的核心是气垫单元[3]，其结构简图如图1所示。

1.铝合金支撑板 2.地面 3.橡胶气囊图1 气垫单元结构简图

气垫单元的工作原理[4]是：利用压缩空气，通过环形气垫抬升重物使之悬浮，其工作过程如图2所示。

图2 气垫单元工作过程

初始状态时，装置和重物的全部重量通过支架由地面支撑， 工作时压缩空气通过气管进入环形气囊，使其膨胀，当支撑板离开地面后继续增加压力；当压力增加到超过支撑板所承载的重物重量时，气囊也离开地面，这时压缩空气从地面与气囊之间的缝隙中溢出，形成一层薄薄的气膜，也就是空气垫，若此时保持一定压力和气量，气膜可处于动态平衡中，气垫单元能保持在稳定的悬浮状态，此时地面与气垫之间的摩擦力几乎为0，重物就可以被轻松移动。气垫悬浮技术对地面要求较高，不仅要求平整，而且不能有缝隙。

2 气垫孔口出流的流动条件

气垫在承载过程中，气垫孔口出流会形成气膜，因此气垫孔口的出流应遵守相关流体力学的定律，关于这些定律的数学描述主要就是流体控制方程，它们是气垫控制的理论基础。本研究将相关理论方程结合实际参数的应用，探寻气垫流场压力和速度分布以及气垫承载力、供气量等技术参数与供气压力、气膜厚度、进气孔径等设计参数之间的关联关系。

气垫单元与地面之间形成高压气膜是气垫车正常工作的必要条件[5]。气垫以可压缩介质空气为动力，从环形缝隙溢出，当气量足够多时，环形缝隙阻力与负载平衡，形成气膜。当负载不变，气量越大，环形缝隙越大，形成的气膜厚度也就越大。流体在气垫车内部的流动机理比较复杂，为便于分析，在不影响研究目的的前提下，本研究对气垫流场的分析不考虑气体黏性，对气垫孔口出流的流动条件做以下假设[6]：

(1) 假设气垫为等温流动过程，气垫流量方程可以不考虑热熵条件，因为是流体的大流量溢流，也可不考虑它的散热条件；

(2) 供气压力和大气压力恒定，温度为室温300 K且恒定不变；

(3) 气垫的泄漏忽略不计；

(4) 气垫中的气体是均匀分布的，且各点参数在每一瞬时都是相同的；

(5) 气垫孔口出流的动态过程中，各参数的变化仅是一个微小量；

(6) 所用工作介质为理想气体，无黏性，满足理想气体的状态方程。

3 气垫承载特性的流场仿真

3.1 流场建模

对于许多工程问题分析时，已不能完全用实验的方法来解决。随着计算机技术的快速发展，越来越多的利用计算机来建立相关模型，进行工程仿真分析，进而得到相应的数据和结果，从而为解决实际工程问题提供了理论依据[7]。本研究将以某型号气垫为例对其气垫承载特性进行流场仿真，该气垫的具体参数如表1所示。

表1 气垫单元参数

根据气垫形成气膜稳定工作时的条件，进行仿真研究主要目的是为了了解流场的入口速度、气膜的压力分布以及气膜承载特性情况，因此在不影响研究目的的前提下作必要的简化，在三维软件中进行建模，入口直径20 mm,高度53 mm，气膜最大直径530 mm,其中关键是气膜厚度尺寸0.5 mm，尺寸越小，网格划分越难，得到气垫单元和流场的模型如图3所示。

图3 气垫单元和流场模型

3.2 流场模型离散化

由于流场的模型中气膜厚度尺寸相较其他位置尺寸突变较大，给网格划分带来困难。网格质量的好坏直接关系到代数求解方程的工作量和收敛性，因此采用专业的网格划分软件Hypermesh进行离散，先对壁面进行划分，采用四边形和三角形混合的方式，然后划分体网格，边界层采用Simple Pyramid算法，共得到1799215个单元，730679个节点，最后进行网格质量检查和无关性验证。划分好的网格模型如图4和图5所示。

图4 气垫流场网格模型

图5 单元放大图

3.3 边界条件和求解器设置

在建立仿真模型时设置气膜厚度为0.5 mm，实际上气膜厚度是随压力和进气量动态变化的，通常在固定位置时，负载不变，故假设在稳态时气膜厚度固定不变，即气垫压力分布和进气量不变，这样可以进行定量分析,因此根据负载7000 kg，在ANSYS Fluent软件中设定入口压力0.5 MPa，出口压力为0，运行条件为大气压力0.101325 MPa，环境温度300 K，流体介质为理想气体，采用无黏流体(Inviscid)模型。为提高计算精度，提高计算效率，算法设置为SIMPLE，密度、动量和能量均设置为二阶迎风格式[8]。

4 计算结果分析

4.1 气垫流场压力和速度分析

在Fluent后处理软件中读取仿真结果，得到整个流场的压力云图(图6)和速度云图(图7)，为了便于分析，同时给出相应的一个截面云图。由于是简化分析，在建模时简化了结构，所以只需关注进口与气膜区域。

从图6b可以看出，最大压力位于气垫入口处0.378 MPa，根据增压室理论，气垫压力整体上是均匀分布的[9]，相对于0.5 MPa的入口边界条件，有个压力突变，是由于流道截面突变所致，随着位移增加，压力在入口流道均匀减小，是沿程压力损失造成的，在气室内部压力分布均匀，为0.23 MPa。进入环形缝隙形成气膜后，随着其半径增加，压力逐渐减小，形成一个压力梯度，气膜中间位置的压力为0.12 MPa，因此可以得出：对于气垫悬浮的状态，气室内压力起主要作用，气膜中的压力起辅助作用。

图6 压力分布云图

图7 速度分布云图

在速度云图7b中进口流道内速度较大，最大289 m/s，位于流场截面突变处。气膜中速度分布较为均匀，在出口附近速度变大，为200 m/s。

图8为气垫的速度矢量图，可以看出速度的方向分布，在气室内受结构约束形成一定的旋涡，对气室内速度方向的分布有一点影响，但是气膜区域的速度方向是均匀向外发散，形成气垫悬浮承载平衡状态的必要条件。

图8 速度矢量分布云图

4.2 气垫其他承载能力分析

气垫搬运系统涉及到的主要参数包括承重能力、供气流量、进气压力、气膜厚度及进气孔径等，这些参数对气垫的承载特性有着至关重要的影响[10]，利用ANSYS Fluent对这些要素进行仿真，可以对气垫的承载特性进行深入研究。

1) 承载量和供气量与气膜厚度、入口压力的关系

在ANSYS Fluent中给定孔径d=10 mm，改变气垫的气膜厚度h和进气压力p，计算得到承载量和供气量如图9和图10所示。由图9看出承载量是随气膜的厚度增大而降低，入口压力的升高而增大；由图10可以看出供气流量随气膜厚度和入口压力的增大而增加。当给定要求的承载量和供气量时，由图9和图10得到不同的入口压力和气膜厚度。

图9 承载量与气膜厚度和入口压力的关系

图10 供气量与入口压力和气膜厚度的关系

2) 承载量和供气量与入口孔径和气膜厚度的关系

在ANSYS Fluent中设定入口进气压力p=0.5 MPa，改变气垫入口孔直径d和气膜厚度h，计算承载量和供气流量，结果如图11和图12所示。可以看出，承载量和供气量均随入口孔直径的增加而增大；当气膜厚度增加时,气垫的承载量下降而供气量是增加的；由图11可以看出来，入口孔径越小，供气量增大过程越平缓，这说明气垫传动会越平稳。

图11 承载量与节流孔直径和气膜厚度的关系

5 结论

通过在ANSYS Fluent中对气垫悬浮状态时的稳态进行了数值仿真，得出：

图12 供气量与节流孔直径和气膜厚度的关系

(1) 气垫流场的压力分布在气室中比较均匀，最大压力位于流道入口处，气膜区域压力分布随着半径增加呈现递减梯度;

(2) 气垫流场的速度分布在入口区域和气膜区域由于空间较小，速度比气室内较大。气膜的大部分区域速度分布均匀，方向呈由内向外辐射，在出口区域变大;

(3) 当给定入口孔径时，气垫承载量随着入口压力升高而增加；而当给定入口压力改变孔径时，承载量随入口孔直径的增加而增大，从提高气垫的承载量的角度出发，可合理增加入口压力 或者设计较大的入口孔径;

(4) 通过仿真可以得出，为了气垫传动的平稳，气垫的入口孔径应设计较小的尺寸，但是需要增加供气流量。

以上数值的分布能较好的体现气垫悬浮状态下流场的分布情况及气垫承载特性，可为气垫承载系统的设计提供理论参考，但在实际设计时，需要对某些参数进行修正。需要说明的是：在不影响研究目的的前提下，本研究的流体模型采用的是理想气体无黏模型，实际上任何气体都是有黏性的，所以忽略气体黏性不可避免的会产生分析误差，在后续研究中，将会对气垫流场特性在有黏模型下进行进一步分析，以便对气垫流场分布及承载特性做出更切近实际的研究。