表面浸润性影晌微间隙流动边界滑移的实验测量及数值模拟

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流体流动的边界条件是决定流体动力学效应的最重要因素之一。近年来研究发现,与经典流体力学中固液界面无滑移的假设不同,流体边界滑移在某些条件下是确实存在的。边界滑移能够减少流体内摩擦阻力,对微纳米尺度流体系统的影响至关重要。表面润湿性对边界滑移有重要影响,但其影响规律还未达成共识。本文在探索制备具有不同润湿性表面工艺的基础上,通过微通道及Micro-PIV技术研究表面微观结构及润湿性影响滑移特性及微间隙流场流动的规律。主要研究工作及结论包括如下几个方面:  (1)进行了多种表面微观结构制备工艺的研究。制备具有不同润湿性的表面是论文开展研究的基础,而在构建规定的润湿性表面方面,与表面化学组成相比表面微观几何形貌显得更为重要。为此,论文研究了不同表面微观结构制备工艺:基于硅微加工技术实现了大面积规则微结构的制备;基于液相生长法实现了不同粒径氧化锌纳米结构的可控制备;结合上述两种工艺实现了超疏表面所需要的微纳复合结构制备。  (2)对不同润湿性表面的滑移特性进行了实验测量和数值模拟。设计搭建了基于微通道方法测量滑移长度的实验装置,对不同润湿性表面的滑移特性进行了实验研究,主要结论下:表面润湿性影响流体流动边界滑移,与接触角相比,滚动角对壁面滑移而言更为重要,滚动角小有利于滑移产生;润湿状态在一定压力条件下会发生转变,表面微观结构间隙影响疏水表面的承压能力,当从疏水转变为亲水时,滚动角显著增大;微米结构的方向性影响壁面滑移,与展向微结构相比,流向微结构有利于壁面滑移。同时采用Fluent软件建立了微间隙流场计算模型,计算结果表明,数值模拟结果与实验结果一致性较好,从理论上验证了实验的可信性。  (3)壁面滑移影响轴承润滑间隙内流体流场特性的PIV测量。搭建了Micro-PIV实验平台,进行了轴瓦内表面疏水层制备工艺研究,对不同转速下具有不同润湿性轴瓦内表面的轴承润滑间隙流场进行了测量。结果表明:疏水壁面有利于产生边界滑移,从而减小微间隙内的润滑介质速度梯度;壁面滑移速度随壁面剪切力率增大而增大,因此在高速工况下,减阻效果将更显著。
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