表面粗糙度對(duì)接觸界面間流體流動(dòng)的影響.pdf

1、兩個(gè)固體表面在壓力作用下接觸，表面凸起形成了間隙僅為微米或納米級(jí)別的接觸界面。接觸界面間的液體流動(dòng)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的性能有很大的影響。接觸界面間的微小間隙形成了微通道，微通道廣泛地存在于各種微型設(shè)備中。微型設(shè)備在微機(jī)電系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)、生物、醫(yī)療、航空航天、通訊和國(guó)防上有著巨大的應(yīng)用前景。由于通道尺寸急劇減小，液體在接觸界面間流動(dòng)時(shí)，會(huì)受到很多因素的影響，流動(dòng)表現(xiàn)出與常規(guī)尺度不同的新現(xiàn)象。其中，表面粗糙度直接決定了接觸間隙的大小，是影響流動(dòng)的重要

2、因素。
　　本文針對(duì)接觸界面間的流動(dòng)，利用有限元軟件Fluent，數(shù)值分析了界面間流體的流動(dòng)特性。首先采用規(guī)則微凸體模擬表面粗糙度，用平行平板簡(jiǎn)化接觸界面，建立了二維和三維的粗糙接觸界面間流動(dòng)模型，并對(duì)兩種模型進(jìn)行數(shù)值模擬，考慮相對(duì)粗糙度和面積比對(duì)界面間層流流動(dòng)的速度分布、壓力分布、壁面切應(yīng)力分布、回流和阻力特性等的影響;其次，驗(yàn)證了粗糙表面具有自仿射特性，采用分形理論模擬粗糙表面輪廓，建立了單個(gè)和兩個(gè)粗糙曲面的分形接觸模型，同樣

3、利用數(shù)值分析的方法對(duì)界面間層流流動(dòng)進(jìn)行模擬，得到了分形維數(shù)和表面粗糙度對(duì)界面間流動(dòng)的影響。研究表明:
　　(1)微凸體的存在可以等效于管徑的縮小，即使在層流區(qū)2％的相對(duì)粗糙度便會(huì)對(duì)層流流動(dòng)產(chǎn)生不容忽略的影響。
　　(2)微凸體的存在引起了回流，認(rèn)為界面間層流阻力增加的來(lái)源是微凸體附近由于回流帶來(lái)的較大壓差阻力。壁面切應(yīng)力隨微凸體形狀而變化，在微凸體頂端達(dá)到最大值，證實(shí)了阻力主要來(lái)自微凸體頂端;用微凸體模擬粗糙度可簡(jiǎn)化實(shí)際復(fù)雜

4、表面，通過(guò)改變微凸體的結(jié)構(gòu)和分布，可以分析工程中接觸界面間的流動(dòng)問(wèn)題。
　　(3)表明粗糙度輪廓具有多尺度、自仿射的特性。采用分形理論可以簡(jiǎn)化對(duì)粗糙表面的表征，構(gòu)造的表面更加符合實(shí)際表面的復(fù)雜分布，更能真切地描述表面的性質(zhì)。
　　(4)對(duì)單個(gè)粗糙表面和兩個(gè)粗糙表面的分形接觸模型進(jìn)行分析，研究表明:流動(dòng)最大速度隨表面粗糙度的增大而增大;壓力在波峰處上升，在波谷處下降;壁面切應(yīng)力隨表面形貌而波動(dòng)。采用分形理論模擬實(shí)際粗糙表面，有