（机械工程专业论文）流体微循环表面织构特性仿真分析研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着社会的发展，人们在设计机械系统时对环保与效率的要求越来越高， 而零件的摩擦学性能对于提高整个机械系统的性能和使用寿命有着重要意义。 与普通摩擦表面相比，具有适当织构形式的摩擦表面会有更好的流体循环特性 和润滑特性，所以在表面织构理论在工程领域得到了广泛的应用。由于织构体 表面分布有交错的网状沟槽，因而在润滑机理上建立准确的润滑模型具有很大 的困难。本文针对液体润滑的基本特点，结合现有的织构表面润滑理论基础及 实践经验，对其润滑机理做了初步探究，并在理论分析和仿真计算的基础上对 不同的二维以及三维织构模型进行了探讨，并对四边形和六边形网状织构表面 的动压特性进行了研究。 本文首先建立了几种不同的二维织构模型以及四边形网状沟槽表面和六边 形网状沟槽表面织构模型，阐述了微循环织构的几何特征及其流体动压润滑的 基本工作原理。然后应用计算流体力学中的f l u e n t 软件进行迭代计算，成功地 将其引入到表面织构微循环领域。表面织构动压特性的研究多采用简化的解析 方法或数值解法，数值解法主要是有限元法和有限差分法，计算效率较低，而 f l u e n t 软件采用的是近年发展非常迅速的有限体积法，计算效率和精度都很高。 该软件对边界条件、计算模型、控制参数及网格质量方面都有严格要求。本文 应用它对各种微循环织构体的压力场和速度场进行了仿真分析，得出了润滑液 体在流场内部的压力分布云图、速度分布矢量图和重要截面上的压力散点图并 计算出了在旋转壁面上形成的举升力。通过对云图和数据的分析，探讨了两种 织构表面情况下产生不同结果的原因。分析表明，在具有相同深度的不同二维 织构中，其表现出的动压特性随着倾角的增大有减小的趋势；而三维织构体中， 六边形网状表面织构模型的微循环特性和润滑特性更好。 最后，为了验证六边形网状织构模型的优越性，对不同进出口条件和不同 润滑液体条件下的润滑性能进行了研究，结果表明，两种不同织构模型在相同 条件下，六边形织构表面的润滑性能要优于四边形织构表面。 关键词：表面织构：静压润滑；f l u e n t 软件；承载力 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs o c i e t y , t h er e q u i r e m e n t so fe n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n a n de f f i c i e n c yi nt h em e c h a n i c a ls y s t e m sa r ei n v o l v e dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n ，a n d t r i b o l o g i c a lp r o p e r t i e s o ft h e p a r t si so fg r e a ts i g n i f i c a n c e f o r i m p r o v i n gt h e p e r f o r m a n c ea n ds e r v i c el i f eo f t h ee n t i r em e c h a n i c a ls y s t e m c o m p a r e dw i t ho r d i n a r y f r i c t i o ns u r f a c e ，w i t ha p p r o p r i a t et e x t u r ei nt h ef o r mo ft h ef r i c t i o ns u r f a c ew i uh a v e b e t t e rc i r c u l a t i o no ft h ef l u i dp r o p e r t i e sa n dl u b r i c a t i o np r o p e r t i e s ，s ot h es u r f a c e t e x t u r et h e o r yi nt h ee n g i n e e r i n gf i e l dh a sb e e naw i d er a n g eo fa p p l i c a t i o n s o nt h e l u b r i c a t i o nm e c h a n i s m ，b e c a u s et h ed i s t r i b u t i o no ft h es t a g g e r e dm e s ht r e n c ht e x t u r e o ft h es u r f a c e ，t h u se s t a b l i s h i n ga na c c u r a t el u b r i c a t i o nm o d e lh a sg r e a td i f f i c u l t i e s i n t h i sp a p e r , t h eb a s i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h el i q u i dl u b r i c a t i o n ，c o m b i n e d 、i n lt h e t h e o r e t i c a lb a s i sa n dp r a c t i c a le x p e r i e n c ef o re x i s t i n gl u b r i c a t i o no ft h es u r f a c eo ft h e t e x t u r e ，l u b r i c a n tw h e r eap r e l i m i n a r yi n q u i r y , a n dt h e o r e t i c a la n a l y s i s ，s i m u l a t i o n a n ds c i e n t i f i ce x p e r i m e n t so nt h eb a s i so ft h e s et w oo r g a n i z a t i o n ss t a t i cp r e s s u r e c h a r a c t e r i s t i c so ft h es t r u c t u r es u r f a c e i nt h i sp a p e r , t h eb a s i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h e l i q u i dl u b r i c a t i o n , c o m b i n e d 、i 也t h et h e o r e t i c a lb a s i sa n dp r a c t i c a le x p e r i e n c ef o r e x i s t i n gl u b r i c a t i o no ft h es u r f a c eo f t h et e x t u r e ，l u b r i c a n tw h e r ea p r e l i m i n a r yi n q u i r y , a n dt h e o r e t i c a la n a l y s i s ，s i m u l a t i o na n ds c i e n t i f i ce x p e r i m e n t so nt h eb a s i so ft h e s e t w oo r g a n i z a t i o n ss t r u c t u r eo ft h es u r f a c eo ft h es t a t i cp r e s s u r ec h a r a c t e r i s t i c s t l l i sp a p e rf o r m u l a t e saq u a d r i l a t e r a lm e s hg r o o v e dt e x t u r es u r f a c ea n d h e x a g o n a lm e s hg r o o v e dt e x t u r es u r f a c em o d e l ，d e s c r i b e dt h et h em i c r o c i r c u l a t i o n t e x t u r eo ft h eb a s i cw o r k i n gp r i n c i p l eo ft h eg e o m e t r i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h e h y d r o s t a t i cl u b r i c a t i o n a n dt h e na p p l yt h ef l u e n ts o f t w a r ef o rc o m p u t a t i o n a l f l u i dd y n a m i c si t e r a t i v ec a l c u l a t i o n ，s u c c e s s f u l l yi n t r o d u c e di n t ot h es u r f a c et e x t u r e o fm i c r o - c y c l ef i e l d f o rr a d i a lb e a r i n g sa n dt h r u s tb e a r i n gs t a t i cc h a r a c t e r i s t i c s ，t h e u s eo fs i m p l i f i e da n a l y t i c a lm e t h o d so rn u m e r i c a ls o l u t i o no ft h en u m e r i c a ls o l u t i o n o ft h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d a n df i n i t ed i f f e r e n c em e t h o d ，t h ec o m p u t a t i o n a l e f f i c i e n c yi sl o w f l u e n ts o f t w a r ei sav e r yr a p i dd e v e l o p m e n ti nr e c e n ty e a r st h e f i n i t ev o l u m em e t h o d ，c o m p u t a t i o n a le f f i c i e n c ya n da c c u r a c ya r eh i g h t h es o f t w a r e o nt h eb o u n d a r yc o n d i t i o n s ，c o m p u t a t i o n a lm o d e l ，c o n t r o lp a r a m e t e r sa n dg r i dq u a l i t y , t h e r ea r es t r i n g e n t r e q u i r e m e n t s p r e s s u r e f i e l da n dv e l o c i t yf i e l do ft h et w o i i 武汉理工大学硕士学位论文 m i c r o c i r c u l a t i o nt e x t u r e db o d yh a v eb e e ns i m u l a t e da n da n a l y z e di nt h i sp a p e r , a n d o b t a i n e dl u b r i c a t i n gl i q u i di nt h ep r e s s u r eo ft h ef l o wf i e l di n s i d et h ec o n t o u r s ，t h e s c a t t e rp l o to ft h ev e l o c i t yd i s t r i b u t i o no ft h ep r e s s u r eo nt h ev e c t o ro ni m p o r t a n t c r o s s s e c t i o na n dc a l c u l a t e dt h el i f t i n gf o r c eo nt h er o t a t i n gw a l l c l o u di m a g ea n d d a t aa n a l y s i st oe x p l o r et h er e a s o n sf o rp o o rh e a l t hr e s u l t si nt h ec a s eo ft h es u r f a c eo f t h et w ot e x t u r e a n a l y s i ss h o w e dt h a tt h em i c r o c i r e u l a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n d l u b r i c a t i o np r o p e r t i e so ft h eh e x a g o n a lm e s hm o d e lo ft h es u r f a c et e x t u r eb e t t e r f i n a l l y , i no r d e rt ov e r i f yt h es u p e r i o r i t yo ft h eh e x a g o n a lm e s h t e x t u r em o d e l ， t h e s t u d y t ol u b r i c a t i o n p e r f o r m a n c eh a v e b e e nc o n d u c t e du n d e rd i f f e r e n t i m p o r t - e x p o r tc o n d i t i o n sa n dd i f f e r e n tl u b r i c a t i n gf l u i d s r e s u l t ss h o wt h a tt h et w o d i f f e r e n tt e x t u r em o d e lu n d e rt h es a m ec o n d i t i o n s ，s i x s i d et h eh y d r o s t a t i cl u b r i c a t i o n p e r f o r m a n c ei ss u p e r i o rt ot h eq u a d r i l a t e r a l - s h a p e dt e x t u r eo ft h es u r f a c et e x t u r eo f t h es u r f a c e k e y w o r d s ：s u r f a c et e x t u r e ；h y d r o d y n a m i cl u b r i c a t i o n ；f l u e n ts o t h a r e ；b e a r i n g c a p a c i t y m 武汉理工大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究的目的及意义 对于机械系统而言，摩擦学性能对于系统整体承载能力和使用寿命的提高 是具有非常重要的意义的。保护环境、提高效率越来越成为当今社会的共识， 所以我们设计机械系统时，减小摩擦磨损、提高润滑性能已经成为需要考虑的 重要因素。多年以来，众多科研工作者在这方面投入了大量精力，对流体动力 学、减摩材料、润滑油及其减摩添加剂等诸多方面进行了大量研究，并取得了 可喜的进展。但相对而言，人们却很少涉足摩擦副表面的物理结构设计领域， 对这方面的研究还有许多不足。 表面织构即是指材料表面通过适当的加工方法加工出来的具有的一定尺 寸、形状以及排列的形貌结构。大量的已有研究表明，如果机械零件摩擦副表 面具有合理而织构造型，其表面摩擦学性能可以得到十分明显的改善，其润滑 性能和使用寿命也能够有显著的提高，因而表面织构对于节约能源、保护环境 以及技术创新等方面有着重要意义。但是由于目前人们对表面织构还是缺乏深 入的研究，对于表面织构润滑机理和磨损规律人们的掌握程度还远远不够。对 于到底何种表面织构能起到作用以及其起作用的机理人们还缺乏完整地认识， 还有待进一步研究。 随着科学技术的不断发展，表面织构的设计及其工程应用越来越引起工程 界的高度重视，人们已开展了有效的表面织构设计研究，通过对摩擦副表面进 行织构以改善其润滑性能，并取得了良好的效果。目前表面织构理论已经广泛 应用于工程领域，如在活塞环、机械密封、以及滑动轴承等场合中。由于不同 织构表面其微循环结构不同，其流体模特性也不同，因此开展摩擦副表面织构 设计对于改善摩擦副的润滑性能有着巨大的工程潜力。 1 2 表面织构理论起源及其工程特征 通过传统的欧氏几何、微积分学，我们可以运用直线、圆和抛物线等几何 元素来建立现实世界中的很多形状模型，比如，点、线、面、体等，它们都是 用以描述规则、光滑的几何对象的。然而自然界中存在大量更为复杂的事物： 如变幻的云彩、起伏的地貌、曲折的海岸线、生物的血管网络、烧结形成的各 武汉理工大学硕士学位论文 种尺寸的聚积团等等。当面对这些事物和现象时，传统科学就显示出不足来。 近几十年来，科学家们意识到了另一个几何世界，即自然形态的几何学，也就 是织构几何学。织构几何学把自然形态看作无限嵌套层次的逻辑结构，并在不 同尺度下保持其相似属性的自相似层次结构。当适当进行几何尺寸缩放时，整 个结构保持不变，于是在不断的变换与迭代的过程中就得到了可以描述自然形 态的有效方法l i j 。 当今的织构理论分形理论类似，是风靡世界科学界的新理论、新学科，其 概念是由美国数学家曼德布罗特首先提出的。上世纪六十年代年他在科学 杂志上率先发表了一篇题为英国的海岸线有多长? 的论文，引起了很大的轰 动。海岸线是曲线，具有极不规则、极不光滑的特征，呈现出极其复杂的变化。 论文指出我们不能单从形状和结构上区分出海岸的两个分段有何本质不同，也 就是两者具有一定的相似性，但这种相似是具有不规则性和复杂性的，说明海 岸线的形貌呈现出了自相似的，也就是其整体形态和局部形态相似。如果在没 有参照物的情况下，从空中拍摄的1 0 0 公里海岸线与经过放大后的1 0 公里海岸 线，照片看上去十分相似。自相似性的形态在自然界中很广泛，如：绵延起伏 的山川、玻璃的破碎口、飘浮的云朵、神经网络、布朗粒子运动的轨迹等等。 曼德布罗特将这种整体、部分之间以某种形式具有相似性的形体称之为织构。 1 9 7 5 年，他首创了织构几何学。在此基础上，形成了专门研究织构性质与其应 用的科学，称为织构理论。 自相似和迭代生成原则是织构理论当中的重要原则，它表示织构在几何变 换下具有不变性。自相似性是经过不同尺度的对称出发的，它也就意味着递归， 那么就可以说织构形体的自相似性既可以是完全相同，也可只是统计学意义上 的相似。 分维又称织构维，也称分数维，是织构理论中的又一重要原则，通常用分 数或小数来表示。长期以来，人们定义点为零维，定义直线为一维，定义平面 为二维，定义空间为三维，爱因斯坦把时间维引入到他的相对论中，形成了四 维的时空。对某一具体问题我们可建立高维空间，但一定要是整数维。欧氏空 间的几何对象数学上经过连续拉伸、压缩或者扭曲之后，其维数也是不变的， 这就是拓扑维数。然而现在这种传统维数观念已经受到了挑战，曼德布罗特曾 经对一个绳球的维数进行过描述：当人们远距离观察绳球时，它可看成一个零 维的点；如果近距离观察，它就充满了三维的球形空间；当更近一些时，就会 看到一根一维的绳子；假如再微观深入，绳子将变成一个三维的柱，但这个三 2 武汉理工大学硕士学位论文 维的柱又可以分解成许多根纤维。那么，就引入了一个问题：那些介于这些不 同观察点之间的若干中间状态又是什么样的呢? 显然，绳球在这这些状态之间并没有从三维对象向一维对象变化的明确界 限。数学家豪斯道夫在1 9 1 9 年就提出了叫做连续空间的概念，也就是说空间维 数可以连续变化，整数和分数都可以，称作豪斯道夫维数【l 】，记作d ，一般表 达式为：k = l d ，也可记作k = ( 1 三1 一d ，取对数后得d ，= l i lk hl ，式中 的l 为客体沿每个独立方向的扩大倍数，k 是新客体对原客体的倍数。可以看 出，一般情况下是d ，应该是分数。因此曼德布罗特就把织构定义为大于或等于 拓扑维数的豪斯道夫维数的集合。 织构理论作为非线性科学的前沿和一大重要分支，它是新兴的横断学科织 构理论作为新的方法论和认识论，对我们有多方面的启示：一方面是织构的整 体与局部具有形态相似性，启发我们可以通过部分来认识整体，通过有限来认 识无限；二方面是织构理论展示出了整体与部分、有序与无序、复杂与简单之 间具有的新形态和新秩序；三方面是织构理论向人们揭示出了世界是普遍联系 的。 由于表面织构理论所涉及的科学领域较宽，因此，不同学科领域大都基于 自身的学科特点，开展其理论与工程应用研究。就摩擦学这一学科而言，近年 来表面织构理论主要集中在摩擦与润滑领域，特别是在表面织构形貌方面，主 要针对其织构特征与加工方法开展了研究。在微循环润滑方面，主要是基于上 层流体力学研究及其润滑状态，然而探究表面织构形貌与微循环互耦性的报道 则较少。 1 3 表面织构研究的国内外研究现状 通过人工织构来改善表面摩擦特性的研究起源于上世纪6 0 年代， h a m i l t o n 2 】等提出一个问题：利用摩擦表面的凸起产生可不可以产生动压效 应，从而改善润滑效果? 他设想通过凸起一边与摩擦副的另一面之间形成收 敛的楔形间隙，通过摩擦副表面之间的相对运动从来产生流体动压，而凸起 的另外一边则由于空化现象的存在就限制了发散楔产生的负压的产生，最后 相对滑动表面就产生可以产生额外的承载能力。 s i r i p u r a m 等1 3 l 通过对两种具有相同深度的具有凸凹槽的织构表面进行详 细研究，他发现织构形状的变化对摩擦系数的影响并不大；彭旭东等【4 j 在平衡 武汉理工大学硕士学位论文 端面闭合力与开启力的情况下，对具有“凸”、“凹”两种微形的两种不同表 面织构端面的密封性能进行了深入仔细的比较，发现在相同工况条件与面积 比的条件下，“凹 状微形体端面密封的综合性能相对要更优一些。s c h r e c k 等【5 】通过对l o o c r 6 材料表面的织构化处理，加工出了具有坑型和交叉型的两 种不同表面织构，最终研究结果表明在耐磨效果方面两者的差别很小。 宋起飞等【6 】在汽车制动盘表面加工出了具有凹坑、条纹和网格分布的三种 不同织构表面，通过研究以展现其磨损性能。结果表明，当织构单元体间距 的增加时其耐磨性也随之下降，其中凹坑试样磨损量增加最多，网状式样磨 损量增加最少；同时当织构单元体间距增加时，其摩擦系数也随之减小，其 中网格式样变化幅度最小，凹坑织构变化幅度最为明显。吕文斐【7 】对具有点、 槽和网格形貌织构表面的摩擦学性能进行了研究。研究结果表明，具有网格 形貌的试样相对具有其他形貌的试样其摩擦学性能最好。图1 1 为几种常见的 织构表面形貌。 曩簪 ? | ；j 二： 之二。一：j 乏 ( e ) 祭状川跌 i ；c f ) t - j 懈：1 1 州； 图1 1 常见的织构表面形貌 w a k u d a 等8 】对具有微孔底部几何形状的织构表面进行了大量实验，结果 表明其对摩擦特性影响并不明显。t o s h i k a z u 等9 l 经过大量研究指出，如果织 4 武汉理工大学硕士学位论文 构底部形状具有微楔或微阶梯形润滑，则有利于较厚油膜的产生。s a d e g h i 1 0 l 通过对底部沟槽织构表面的研究，揭示出了其对推力清洗器承载能力的影响。 最后结果表明：沟槽的深度与油膜厚度之间的比值对承载力有着显著的影响， 甚至起着决定性的作用。当较小比值时梯形织构所获得的承载力最大；当较 大比值时时三角形织构所获得的承载性能最好。王霄等j 为了清楚认识表面 形貌对润滑性能的影响有多大，他构造了锥形、圆柱形、球冠形、正方形等 不同的织构截面形状，并分别对其进行了研究。最后他发现球冠状造型形成 的油压区域是最大的；当表面占有率和造型深度都相同的情况下，正三角形 结构所形成的有效油膜压力区域是其中最大的，因为该结构造型在相对滑动 过程中摩擦副表面所形成的油膜间隙较大，所以其摩擦系数相对较小。 然而摩擦学性能并不是织构区域越大越好。当处于高压密封情况时，如 果对摩擦副表面进行全部织构时，其所表现出的摩擦学性能并不十分理想。 鉴于此，e t s i o n 等【i2 l 对摩擦表面进行了部分织构，结果表明其所形成的织构 表面能够产生较高的流体静压力。b r i z m e r 等【1 3 】已经在平行推力轴承方面成功 应用了部分织构的相关理论，工程应用结果表明具有部分织构的承载力确实 要比全部织构的表面所有的承载力要好许多。 1 4c f d 计算流体力学概述 1 4 1c f d 简介 c f d 是计算流体力学的英文简称，它主要针对具有流体流动和热传导现 象的相关系统进行分析，在分析中需要应用到计算机数值模拟和图像显示等 多种现代技术。其基本思想是将空间和时间上的物理量场用一些离散的点将 它们替换，然后寻找出这些经过替换的离散点场变量之间的内在规则，并建 立起能够表现它们关系的代数方程组，最后求解这些代数方程组，从而获得 变量场近似值【i4 1 。c f d 具有明显的优点，它不仅能够准确模拟我们想要的运 行数据，还能够详细给出这些数据的资料，具有计算速度快、周期短、成本 低等特点，这使得无论是在商业推广上还是在实验室研究或者工程应用上它 都具有很重要的指导意义。因此c f d 技术在很多领域都有着非常广泛应用， 如对汽车、船舶等的外部流场的模拟，以及对锅炉、化学反应器等内部反应 与燃烧的仿真等诸多方面【1 5 , 1 6 】。另外，c f d 技术在流场数值计算领域也得到 武汉理工大学硕士学位论文 了大量的应用。 1 4 2 求解流体流动问题的常用数值计算方法 如果以控制方程离散原理为标准对c f d 进行分类，可以把它三大分支l l 7 例： 有限差分法、有限元法和有限体积法。 按照发展的历史，上述三大分支中有限差分法是c f d 的三种方法中发展最 早的一种方法，其发展相对其他方法更成熟。在有限差分法中，首先需要对解 域进行差分网格划分，再对求解域和偏微分方程导数进行替换，前者是使用连 续网格节点完成的，而后者是通过网格节点完成的。经过替换后可以推导出包 含未知数的差分方程组，通过对这一系列的方程组进行求解从而得到所需的数 值解。但是其物理特性并不能通过差分方程真正反映出来，因为后者只是数学 近似于偏微分方程，因而最终表现出来的结果也就可能极不合理。有限元法则 发展于2 0 世纪6 0 年代，它吸收了有限差分法的合理内核，采用的是一种全新 的方法。其原理是将连续求解域分割成一系列微小单元，然后在这些小单元上 进行插值函数的构造，再根据变分原理将控制方程转化成为有限元方程，将局 部单元进行总体合成从而形成一系列的代数方程组，通过对方程组的求解从而 得到待求函数值。但是有限元离散方程和有限差分方程一样，它也只是对原微 分方程所得到的一种数学近似，所以在处理流体流动和传热问题时，问题当中 有对诸如强对流、守恒性和不可压缩性等很多方面的特殊要求，所以这时要想 从方程中的各项得出合理的物理解释仍然是比较困难的，同时也比较难以改进 计算中出现的许多误差。因而应用有限元法解决流体力学和传热学问题还是有 很多不足【1 9 1 。 近几十年来，人们发展出了有限体积法这一全新方法。这种方法也需要得 出一系列的离散方程，它将计算区域分割成许多更小的控制体积，并对微分方 程进行积分相对控制体积进行一一积分，从而得到想要的离散方程。使用有限 体积法需要导入离散方程，导入时最关键的步骤就是分别对被求函数及其倒数 进行假剧硎。使用有限体积法导出的离散方程具有非常明确的物理意义，同时 还具备计算量小、效率高的特点。在1 9 8 0 年代，s v p a t a n k e r 全面阐述了有限体 积法【2 。后来的r c h o w 先生又提出了扩展有限体积法瞄l ，该方法可以适用于任 意多边形的非结构网格。有限体积法是目前c f d 应用最广泛的一种方法，它的 计算效率很高，多数商用c f d 软件都在使用这种计算方法。 6 武汉理工大学硕士学位论文 1 5 以往研究中存在的问题 多年以来，人们对表面织构问题进行了大量的研究，取得了了很大的成绩， 研究成果也得到了比较广泛的应用。但是正如前面所介绍的，研究领域许多是 集中在表面织构对轴承静压润滑特性方面，对于织构的表面分布对动压润滑的 影响研究还不够。而且，以往的研究往往注重于织构表面沟槽截面的形状，如 圆形截面、三角形截面、四边形截面等等。同一沟槽截面条件下表面的沟槽分 布形状同样会对润滑性能有所影响，但是对这方面的研究学界则少有触及。本 文中主要探讨的正是织构表面的沟槽分布对于液体动压润滑性能的影响，通过 对不同表面分布的分析，力图找出一个最优的分布形式，然后在探讨润滑液体 的粘度及其供应情况对润滑性能的影响。 1 6 本文主要工作内容 本文拟通过理论分析，并借助于计算流体动力学计算方法，在流体仿真的 基础上对织构体的润滑机理进行深入仔细地分析研究。本文将致力于如下几方 面的研究： ( 1 ) 阐述湍流雷诺方程及湍流模型，并深入阐述分析织构体的润滑原理。 ( 2 ) 建立一组二维织构模型，针对不同织构模型通过仿真分析研究其对动 压润滑特性的影响。 ( 3 ) 建立两种具有不同织构表面的织构体三维几何模型，即四边形网状织 构体和六边形网状织构体，并分别建立其对应的求解模型，阐述研究所采用的 数值模拟方法，并分别对其进行数值模拟计算。 ( 4 ) 利用计算流体力学( c f d ) 方法对织构体进行数值模拟，计算其压力分 布及速度分布，并在此基础上深入比较探讨两种织构体的流体循环特性以及其 润滑性能，定性地分析不同织构表面对压力和速度分布的影响，以及其对与之 相关的润滑性能和循环特性的影响，再进一步通过计算分析润滑油进出口变化 对润滑性能的影响。 7 武汉理工大学硕士学位论文 第二章微循环润滑表面织构特征及其流体计算边 界条件 2 1 微循环表面结构三维构造特征 本文在三维模型的建立是利用p r o e 软件进行的。微循环织构体表面形貌如 图2 1 和图2 2 所示，结构为不锈钢材质板件，厚度为1 0 m m ，其上部开圆柱形 凹槽，凹槽直径4 5 7 2 r a m ，槽深度为2 m m ，在凹槽底部平面铣出具有网状槽型 结构的表面，网状槽的截面为圆弧形，深度为2 m m ，宽度为4 m m 。沿着垂直于 x y 平面的方向，四周各开有两个通孔，分别作为润滑液的进口和出口，孔径相 同，为4 m m 。 v vv 图2 2 六边形微循环表面织构模型 囝 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 流体润滑理论在微循环织构表面的应用 当具有一定粘度、一定厚度的流体将摩擦副的两摩擦表面分开时，外部载 荷靠流体内部压力来平衡，金属表面离子电力场不能作用于流层中的大部分分 子，因而分子能够表现出自由移动的特性；此时主要是由于流体的内摩擦产生 摩擦阻力，流体将摩擦副的两个相对摩擦表面完全隔开，不能够发生直接的表 面接触：当两相对移动表面之间发生相对运动时，只是在流体分子之间产生摩 擦现象，则此时摩擦副的摩擦磨损特性完全取决于流体的粘性，而与两个表面 的材料无关。所用的粘性流体可以是液体或者气体，例如润滑油、水、空气、 惰性气体等介质田】。 流体润滑具有诸如摩擦因数小、摩擦阻力低等许多优点，可以避免摩擦副 材料间直接接触，有效减少磨损：同时，润滑膜还具有良好的吸振作用，使机 器的运转可以更加平稳地进行；流体通过流动可以有效减小摩擦热，对摩擦表 还有一定的冲洗作用，从而可以大幅改善摩擦副的工作条件，从而显著提高其 使用寿命。流体润滑按照其润滑膜压力产生方式的不同可以分为流体静压润滑 和流体动压润滑两个大的种类阱】。流体静压润滑是主要由外部向摩擦表面的间 隙提供具有一定压力的流体，通过流体的静压力来平衡外载。流体动压润滑是 在两个产生相对运动的摩擦表面之间形成收敛的楔形间隙，主要是可以借助粘 性流体的动力学作用，从而产生一定的润滑膜压力，通过这种润滑膜压力来平 衡外载。 在本文中的研究模型润滑的工作状态即为流体动压润滑，下图2 3 所示为进 口沟槽出经过简化后的润滑工作原理模型二维剖面图。润滑液体以压力p l 从进 流口流入，并沿入流通道进入网状沟槽浅腔，并形成润滑膜，再沿着另一侧的 出流通道流出。在润滑的过程中，其上方止推板以一定的角速度不停旋转。 图2 - 3 润滑工作原理图 9 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 流体的性质假设 2 3 1 惯性 在没有外力作用的条件下流体能够保持其原有运动状态的性质就叫做流体 的惯性。流体的惯性是与流体质量密切相关的，随着流体质量的增大而增大。 单位体积流体的质量表示流体的密度，用p 表示( 单位l g m 3 ) 。对于某均质流体， 若用m 表示其质量，用表示其v 体积，则其密度的表达式【2 5 1 为： ，刀 p 2 矿 ( 2 1 ) 非均质流体的一大性质就是密度是变量，随点而变化的。取包含有某点的 一定体积a v ，其质量为a m ，那么可以用极限表达其密度为： p = 1 1 。m 竺 ( 2 2 ) p = 一 k z z j 。 a y + o a v 2 3 2 压缩性 通常情况下，如果流体上有外在压力的作用，该压力大小的变化也会引起 流体体积发生变化，从而导流体的致密度也发生变化，这一现象就称作流体的 可压缩性。衡量流体压缩性的量度一般为压缩率k ，其表达式【2 6 1 可写作： 七：d v v ：d p l p( 2 3 ) 庀= 一= 一 z - jj 印咖 式中的p 表示的是外部压强。 在研究过程中，根据是否考虑流体的压缩性，流动可分为为可压缩流动和 不可压缩流动。可压缩流动的流体称为可压缩流体，不可压缩流动的流体称为 不可压缩流体。 2 3 3 粘性 流体在运动状态下会产生抗剪切变形的性质被称为流体的粘性，粘性大小 常常用粘度来衡量。流体的粘度可分为动力粘度和运动粘度y 两种。动力粘度 由牛顿内摩擦定律导出，其表达式表示为： p ：r 拿( 2 - 4 )p2 r _ 卯 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 上式中：j l l 为动力粘度，单位是p a s ；f 为切应力，单位p a ；d u a y 为流 体的剪切变形速率。运动粘度和动力粘度两者之间的关系为： y ：兰( 2 5 ) p 上式中：v 为运动粘度，单位m 2 s 在研究过程中，根据是否考虑流体的粘性流动，流动可分为粘性流动和理 想流体的流动，前者相应的流体称为粘性流体，后者相应的流体则称之为理想 流体。根据流动是否符合牛顿内摩擦定律流体还可分为牛顿流体和非牛顿流体 两大种类。牛顿流体是用j l i 为常数，它是符合牛顿内摩擦定律的。而非牛顿流 体又可以进一部分为三种类型，即塑性流体、假塑性流体和胀塑性流体。 塑性流体有一个初始应力l 这个应力保证流体不产生剪切变形。当这个初 始应力被克服之后，切应力才能与速度梯度成正比，可表达为： f ：f + 口坐 ( 2 6 ) f = l + _ l z 。o ， 假塑性流体切应力和速度梯度之间的关系可表达为： 吲小- 协7 ) 胀塑性流体切应力和速度梯度之间的关系可表达为： 斟炒t 协8 ) 2 3 4 表面张力 在液体表面的界面上，液体间存在某种相互作用力，这种力就称为张力。 因为液体分子之间存在相互吸引作用力，所以液面上的分子使得整个液面是趋 于收缩的，此时拉应力就会从液面的任何两部分之间表现出来，表现出的这种 力就称为表面张力。表面张力的方向与两部分分界线相垂直的，并且与液面互 相垂直。液面截线长度l 是与表面张力大小之间成正比的，两者关系可表达为【2 7 】： t = c r l ( 2 9 ) 上式中：仃即表示表面张力系数，表达式说明液面单位长度截线上表面张 武汉理丁大学硕士学位论文 力与物质种类之间的关系，其大小是由物质种类决定的，其单位为n m 2 3 5 定常流动与非定常流动 流动可以分为定常流动和非定常流动两大种类，这主要是根据流体的流动 过程是否不同以及流动过程中其物理参数和时间的相关性来划分的。定常流动 ( s t e a d yf l o w ) 过程中流体的各物理量均与时间有相关性；非定常流动( u n s t e a d y n o w ) 过程中流体的物理量与时间没有相关性【2 引。 2 3 6 层流与湍流 流体的流动还可以分为层流流动和湍流流动两大类型。如果把流体简单看 成是层与层之间的组合，那么层流流动过程可以看成流体层与层相互之间是没 有任何的干扰独立进行的，流动中不发生质量和动量的传递；而湍流流动过程 与层流流动不同，它的层层之间存在是相互干扰的，而且随着流动的不断进行， 相互干扰的力度是变得越来越大的，流体流动过程中他们之间同时还进行着质 量传递和动量传递【2 9 1 。 判断某流动过程是层流还是湍流，雷诺数是否超过了临界雷诺数是关键因 素。雷诺数定义为： r ：丝 ( 2 1 0 ) v 在上式中：v 为截面平均速度；l 为特征长度；，为运动粘度。 ( 1 ) 对于圆形管内的流动问题，取圆管直径d 作为特征长度l 。其临界雷 诺数为一般认为是2 3 2 0 ，即： r ：一v d y ( 2 1 1 ) 如果r e 2 3 2 0 ，流动是湍流。 ( 2 ) 对于异型通道内的流动，其雷诺数可表达为： r ：v d ( 2 1 2 ) v 上式中：特征长度取作水力直径如 定义异型通道水力直径为： 如- 4 詈 ( 2 - 1 3 ) 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 上式中：a 为过流断面面积；s 为过流断面上流体与固体接触周长。 湍流流动现象广泛存在，其主要特征是物理上表现出近似无穷多的尺度特 性，并在数学上表现出明显的非线性，因此人们要想彻底认知湍流流动的规律 与特性是相当不容易的【2 3 l 。1 9 8 0 年代以来，科学家们开发出了许多具有精高度、 分辨率高等特点的计算格式，使得基于欧拉方程的数值模拟在主控方程已经得 到了很好的解决：同时，为了实现工程计算中复杂外形网格的计算问题，人们 已经成功开发出了一大批极有成效的网格生成技术，并推出了相应的专业软件。 随着计算机技术的不断发展，欧拉方程已经可以很好地解决了计算时间和花费 问题，并且很好地满足了工程实践的需要。同时以此为基础，人们对可压缩雷 诺平均方程的计算问题的研究也开展了起来，三维定常粘流流动的模拟计算已 经很好地得到了实现。虽然在模拟方法上取得了巨大进展，但人们仍然需要继 续去通过研究湍流机理以建立起相应的计算模式，并进行适当的模拟，通过这 些传统手段来解决湍流问题。 目前的湍流流动模型可以主要有三种类型【2 9 1 ： 第一类就是湍流输运系数模型。在此用平均速度梯度和湍流粘性系数之间 的乘积来表示速度脉动的二阶关联量，则用笛卡儿张量可以表示为： 一p 巧：“i 婺+ 誓i 一昙p 慨 ( 2 - 1 4 ) l 瓜四，j j 湍流模型在理论上有很多种。常见的按照建立模型所需要的微分方程数目 的不同，湍流模型共可分为三种不同类型，即零方程模型、单方程模型和双方 程模型。 第二类是直接建立关于湍流应力和其他二阶关联量的输运方程，计算过程 中没有有关湍流输运系数的概念。 第三类是大涡模拟模型。上面前述的两种类型都是经过对所有涡旋进行统 计学平均之后得到的，它是在湍流统计结构基础之上建立起来的模型类型。大 涡模拟的模拟把湍流分成两种，即大尺度湍流和小尺度湍流 上述介绍的几种湍流模型在应用中各有优劣，并无好快之分。在实际求解 过程中选择求解模型的时候需要具体问题具体分析，一般所依据的原则就是选 择精度高、应用简单、节省计算时间的模型，同时还要考虑到需要具有一定的 通用性。 图2 - 4 表示的是几种常见的湍流模型。 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 l 包舍 更多 物理 机理 基于r a n s 的模型 图2 _ 4 湍流模型 2 4 流体流动的基本控制方程 2 4 1 流体运动描述的方法 次 代 算量 抽 f l u e n t 提侠 的数学模型 流体物理量通常可以有多种描述方法，但归纳起来主要有两种，即拉格朗 日描述和欧拉描述。 拉格朗日描述是基于流体质点的一种描述方法，是用拉格朗日坐标与时间 之间的函数来对流体进行描述的。它流体质点的物理量看成是不断变化的量， 随着流体质点与时间不断发生着变化。设( a ，b ，c ) 是拉格朗日坐标，该坐标用 以表示流体质点的相关物理量，例如某时刻t 该质点矢径、压强、速度等的值， 记作a 、b 、c 与t 的函数。若用f 表示质点某时刻的值，则其拉格朗日描述可以 表达为1 3 0 】： f = ( o ，b ，c ，) ( 2 - 1 6 ) 欧拉描述立足于空间点的一种描述方法，它用欧拉坐标和时间的函数来描 述流体质点的物理量，流体的物理量可以看成是随着空间点和时间变化不断的 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 量，所以它也可称为空间描述。设( 纺，q 2 ，吼) 是欧拉坐标，流体的物理量可 以用欧拉坐标表示，例如可以用q l 、q 2 、q 3 与t 的函数来表示某时刻t 的数值压 强、速度等。对于某时刻的某物理量而言，在确定其时间分布之后，这个物理 量在此空间内便形成了一个场，我们