表面粗糙度對接觸界面間流體流動的影響.pdf

1、兩個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別的接觸界面。接觸界面間的液體流動對整個系統(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)備在微機電系統(tǒng)、計算機、生物、醫(yī)療、航空航天、通訊和國防上有著巨大的應(yīng)用前景。由于通道尺寸急劇減小，液體在接觸界面間流動時，會受到很多因素的影響，流動表現(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，是影響流動的重要

2、因素。
　　本文針對接觸界面間的流動，利用有限元軟件Fluent，數(shù)值分析了界面間流體的流動特性。首先采用規(guī)則微凸體模擬表面粗糙度，用平行平板簡化接觸界面，建立了二維和三維的粗糙接觸界面間流動模型，并對兩種模型進行數(shù)值模擬，考慮相對粗糙度和面積比對界面間層流流動的速度分布、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，建立了單個和兩個粗糙曲面的分形接觸模型，同樣

3、利用數(shù)值分析的方法對界面間層流流動進行模擬，得到了分形維數(shù)和表面粗糙度對界面間流動的影響。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％的相對粗糙度便會對層流流動產(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源是微凸體附近由于回流帶來的較大壓差阻力。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，證實了阻力主要來自微凸體頂端;用微凸體模擬粗糙度可簡化實際復(fù)雜

4、表面，通過改變微凸體的結(jié)構(gòu)和分布，可以分析工程中接觸界面間的流動問題。
　　(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化對粗糙表面的表征，構(gòu)造的表面更加符合實際表面的復(fù)雜分布，更能真切地描述表面的性質(zhì)。
　　(4)對單個粗糙表面和兩個粗糙表面的分形接觸模型進行分析，研究表明:流動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。采用分形理論模擬實際粗糙表面，有