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微尺度下油膜缝隙流动中的壁面滑移特性研究

王国斌  
【摘要】:缝隙流动大量应用于液压传动、静压支承、液体薄膜润滑等液体动力学系统中。传统的缝隙流动理论分析,假设液体粘度为常数,而随着机械设备高速精密化发展,缝隙流动理论面临大载荷、超高温、极高速、非稳定等极端工况条件的挑战。尤其当缝隙流动间隙厚度降低为微米级时,其缝隙内部流动规律将明显区别于宏观流体流动行为,表现为明显的非连续效应、壁面效应和低雷诺流动等微观流动流体特征。对于微观流动力学,其固液交界处滑移现象研究成为微流体力学的基础课题,壁面滑移也成了影响微观流动的重要因素。对微米级缝隙流动进行深入的滑移规律研究将推动缝隙流动的设计和应用,并为微观流动流体中的滑移应用提供新的思路,具有重要的科学研究意义。 本文从微观角度对缝隙流动进行了数值分析研究,充分考虑壁面滑移特性、微观壁面表观粘度、温粘特性等因素对缝隙流动特性的影响。并对微观因素作用下的缝隙流动进行对比分析,探索多因素耦合共同作用下的缝隙壁面滑移行为变化规律: (1)通过计算流体力学方法对微米级油膜缝隙流动中的近壁面滑移问题进行分析。对静压支承系统中封油边内油膜缝隙流动边界条件,采用基于Navier滑移模型的滑移边界条件。从数值模拟和理论两方面讨论壁面滑移系数对微米缝隙流动特性的影响,侧重分析考虑温粘特性和非牛顿流体属性对油膜缝隙流动特性分布和壁面滑移速度的影响。研究表明在微观尺度下具有界面滑移的油膜缝隙流动区别于无滑移的缝隙流动特性,其中温粘特性将最大限度地影响壁面滑移速度大小和缝隙流动特性分布。 (2)对微尺度下的方腔微流动特性进行数值分析时,以压力驱动和剪切力驱动的方腔微流动为研究对象,分析探索壁面滑移作用对微型方腔中液体流动涡的影响。理论推导基于边界层厚度的边界滑移新模型,并用于压力驱动方腔微流动特性分析计算中。数值分析结果表明滑移壁面条件将改变方腔流动涡规律:在压力驱动方腔微流动中滑移壁面条件对方腔内涡区的生长发展起抑制作用;在剪切拖曳方腔微流动中,滑移壁面边界将影响方腔内涡分离线位置和形状,强滑移作用将促进腔底部对称涡的形态变化。基于边界层厚度的新滑移模型更适用于方腔犄角处壁面边界条件,其能更好地反映流动突变处壁面滑移变化的发展规律。 (3)在旋转对称密封圆盘缝隙为研究对象时,从理论和数值分析滑移边界条件下的旋转对称密封圆盘缝隙的流量和承载性能。同时考虑温粘关系和非牛顿流体属性对旋转圆盘缝隙壁面滑移分布的影响,并一步对比分析非线性滑移作用下旋转圆盘缝隙流动壁面滑移情况。其结果为高压高剪切作用的旋转圆盘缝隙流动应用和分析提供一定参考数据。


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