狹縫節流器氣浮平臺質量流量計算

黃磊 陸亞川 陳宏 尹洋

摘要：狹縫式靜壓氣浮平臺的一個重要性能參數是質量流量是。本文分別采用了解析法和有限體積法對狹縫式靜壓氣浮平臺的質量流量進行了計算。經過比對分析，結果表明通過兩種方法計算得到的質量流量均與供氣壓力成正比關系，而且當供氣壓力增加時，兩種方法的計算結果趨于一致。但是由于有限體積法可以考慮更多實際因素的影響，其結果更接近真實情況。

關鍵詞：質量流量；狹縫式氣浮平臺；解析法；有限體積法

中圖分類號：TH138.1 文獻標志碼：A 文章編號：

Abstract：An important performance parameter of the slotted static air flotation platform is the mass flow rate. In this paper，the analytical method and the finite volume method are used to calculate the mass flow rate of the slot static pressure air flotation platform. After comparison analysis，the results show that the mass flow calculated by the two methods is proportional to the supply pressure，and when the supply pressure increases，the calculation results of the two methods tend to be consistent. However，due to the finite volume method，the influence of more practical factors can be considered，and the result is closer to the real situation.

Keywords：mass flow；air bearing table；Analytical method；finite volume method

引言

隨著現代信息科技的發展，計算機性能也不斷增強。但是用來制作芯片的硅片的尺寸越來越大，其品質要求也越來越高，從而導致其制造運輸的難度也相應增加[1]。

狹縫式靜壓氣浮平臺現在已被廣泛應用于硅片的運輸中[2]。在使用過程中會涉及到質量流量的計算，在以往的工程應用中通常采用簡化算法來計算其質量流量。但是簡化算法不能很好地反應當工作環境的壓力發生變化時對靜壓氣浮平臺氣體質量流量產生的影響。目前基于有限體積法的計算流體力學仿真軟件Fluent已經成為研究流體力學領域的一種重要手段[3]。以往一些幾乎不可能用理論分析得到精確結果的復雜模型，現在可以通過計算機仿真來解決。

1 基于解析法計算狹縫式氣浮平臺的質量流量

氣浮平臺的質量流量：

（15）

式中T為熱力學溫度，環境溫度是27℃，則T取值為300K。R為理想氣體常數，對室溫下的空氣R取287.6J/kg·K， 為氣體動力粘度，一般取 Pa.s。

根據以上推導內容，我們選取供氣壓力為0.15～0.25MPa的11組數據時，該模型的質量流量如表1所示。

2 基于有限體積法的靜壓狹縫式氣浮平臺的質量流量分析

本文使用Fluent軟件對靜壓狹縫式氣浮平臺質量流量進行分析仿真，其不受幾何體的復雜程度限制，其解的穩定性和精確性都較好[5]。下面使用Fluent對本文中的模型進行仿真。

取氣浮平臺上的狹縫以及氣膜層進行分析。為使得計算結果具有更高的精度且收斂速度會更快，劃分網格時盡可能使用結構化網格劃分。為了節約計算資源且加快計算速度，我們將氣膜的 使用Mesh劃分后的網格局部如圖1所示。

在供氣流道處施加邊界條件為pressure inlet，氣膜四周的間隙施加的邊界條件為壓力出口pressure outlet，并認為在氣膜邊界出口處加壓空氣的壓力已經衰減為外界環境壓力101325Pa。模型的兩個側面設置為周期性邊界，其他外表面均設為壁面（wall）。

在不同壓力條件下，基于Fluent的的質量流量的計算結果如表2所示。

3 結論

本文分別采用解析法和有限體積法對狹縫式靜壓氣浮平臺的質量流量進行了計算，經過對比分析，結果表明：靜壓氣浮平臺質量流量隨著供氣壓力的增加而增大，兩種方法得到的質量流量變化趨勢相同；隨著供氣壓力的增加，兩種方法的計算結果逐漸趨于一致。Fluent幾乎不受幾何體模型細節復雜程度的限制，而且在計算中可以考慮了更多影響因素，所得結果更接近實際情況。

參考文獻

[1]叢明，于旭，徐曉飛硅片傳輸機器人的發展及研究現狀[J]. 機器人技術與應用. 2007，（04）.18-23

[2]王濤，楊玉貴，彭光正.半導體及平板顯示制造業中的空氣非接觸搬運技術[J]. 液晶與顯示. 2009，（03）.404-408

[3]王福軍.計算流體動力學分析一 CFD 軟件原理與應用[M].北京：清華大學出版社，2004.

[4]黨根茂.氣體潤滑技術[M].南京：東南大學出版社，1990.

[5]孫西芝，陳時錦，程凱.空氣靜壓導軌靜態性能的解析計算及分析[J]. 機械設計及制造，2005（1）.

作者簡介：黃磊（1992-），男（漢族），重慶，碩士在讀，研究方向，靜壓氣浮平臺運輸。

（作者單位：西華大學 機械工程學院）