【漩涡负压悬浮的理论基础概述1600字】

漩涡负压悬浮的理论基础概述1漩涡气旋模型建立压缩气体由腔体顶部沿切线方向进入工作区域，在圆柱形腔体壁面的束缚下形成漩涡流。高速旋转的压缩空气逐渐带动腔体中心区域的气体旋转，通过离心力将气体沿法线方向挤压，从而在腔体的中心区域产生负压。由于腔体内外的压力差，压缩气体以漩涡状向下运动，在腔体出口与硅片的间隙中呈散射状排出，从而在腔体与硅片外围形成较薄的气垫，对硅片产生一定的排斥作用[66][67]。放置于腔体下方的硅片受到负压区域的作用产生垂直向上的负压吸附力与少量外围气垫产生的斥力，最终实现非接触悬浮过程，如图2.4所示。为了避免硅片被吸入腔体内部或与腔体发生碰撞，硅片表面应当大于腔体内柱形区域的面积。图2.4漩涡气旋模型由上述工作原理可知，硅片中心区域受到漩涡气流带来的负压吸附力F1，而硅片外围区域则受到排除气体的排斥力F2。当吸附力大于排斥力时，外界气体对硅片的作用合力F为正值。在抓取过程的初始阶段，腔体对硅片的作用合力F必须大于硅片自身重力W；当硅片经过震荡达到平衡，则必须维持合力与重力相等，实现稳定的悬浮状态，如图2.5所示。假设硅片上表面受到气体作用的压力分布为p(r)，则硅片所受作用力可表示为 (2-23)当硅片距离腔体底面较近时，边缘区域的正压远大于中心区域的负压，此时硅片所受作用力为排斥力；随着气膜厚度的增加，边缘的正压效应逐渐减弱至小于中心的负压效应，此时硅片所受作用力为吸附力，当合力到达某个峰值点后，合力逐渐减小直至趋近于0。因此不难推断，在供气压力保持恒定时，合力F与腔体和硅片之间的气膜厚度相关。图2.5硅片受力分析2流体基本方程解析流体的连续性方程用于描述质量守恒定律[68]，方程内核为流体质量随时间的变化率等于进出控制体的质量流量，其原理如图2.6(a)所示。当理想流体在流动时，通过某一截面的质量流量qm保持不变，可表示为 (2-24) (2-25)将上式展开，得到微分形式的气体连续性方程，即 (2-26)其中、、A分别为流体密度、流体速度与截面面积。a）连续性方程b）动量方程图2.6流体方程原理图动量方程用于描述动量守恒定律[69]，方程内核为流体动量随时间的变化率等于作用在控制体上的力，其原理如图2.6(b)所示。在一元定常管道中，取出长度为dx的气体微团。在dt时间内，该微团由流体域L1移动至域L2。在定常流动条件下，微团的质量和动量不随时间发生变化，所以两个流体区域质量dm相等，即。微团在dt时间内的动量变化应等于流体域两部分的流体之差，可表示为 (2-27)微团沿x方向的合外力F可表示为 (2-28)其中D、分别为管径与考虑壁面作用的摩擦切向应力。在dt时间内，根据微团的动量变化将其受到的冲量表示为 (2-29)将上式整理后获得其微分形式为 (2-30)3气膜压力分布分析气体进入腔体后与腔体壁面碰撞，从而发生强制旋转形成漩涡，其中心为速度较高的气体涡核。漩涡气流在腔体底面排出进入周围环境时，由于约束条件的突然消失导致气体压力急剧变化，将会产生回流[70]。在回流作用下，气体涡核会发生不稳定的进动现象，从而导致较为复杂的非定常湍流运动。现对其作以下假设：腔体内部不存在热传导，气体的状态变化为等温过程；间隙中的气体流动受到粘性作用，忽略惯性效果；间隙中的气膜压力在厚度方向上及径向上各向同性。基本区域单元包括多孔质区域以及环形壁面区域与静态模型的坐标系建立方法类似，以多孔质表面中心点为原点，竖直向上为方向，径向为方向，圆周方向为方向建立圆柱坐标系，其N-S方程分别为 (2-31) (2-32) (2-33)由于模型内的高速旋涡流没有热量的输入或生成，且内部也不存在热传导，将该流场看作是完全气体的正压流场，因此流场的密度、压力、速度都与温度无关。三维非定常湍流运动的基本方程可由上一节中推导的连续性方程与动量方程和其自身的运动方程来描述，得到 (2-34) (2-35) (2-36)在一定的进气压强下，作用合力F与吸盘和硅片之间的缝隙厚度相关。当硅片距离吸盘底面很近时，气体排出时的正压对硅片的影响远远大于气体中心区域负压影响，此时硅片所受作用合力为排斥力。随着缝隙厚度