發(fā)布時間：2018-05-20 00:23

  本文選題：接觸界面 + 層流流動��； 參考：《合肥工業(yè)大學(xué)》2016年碩士論文

【摘要】：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(jī)電系統(tǒng)、計算機(jī)、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(jìn)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(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,建立了單個和兩個粗糙曲面的分形接觸模型,同樣利用數(shù)值分析的方法對界面間層流流動進(jìn)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(shí)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(shí)際復(fù)雜表面,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(shí)際表面的復(fù)雜分布,更能真切地描述表面的性質(zhì)。(4)對單個粗糙表面和兩個粗糙表面的分形接觸模型進(jìn)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(shí)際粗糙表面,有助于對復(fù)雜工程表面進(jìn)行分類研究,具有很大的研究價值。
[Abstract]:When the two solid surfaces are in contact with each other under pressure, the surface protrusions form contact interfaces with only micro- or nanoscale gaps. The liquid flow between the contact interfaces has great influence on the performance of the whole system. The micro gap between the contact interfaces forms microchannels, which widely exist in various microdevices. Micro-equipment has great application prospect in MEMS, computer, biology, medical, aerospace, communication and national defense. Due to the sharp reduction of channel size, the flow between the contact interfaces will be affected by many factors, and the flow shows a new phenomenon different from the conventional scale. Among them, the surface roughness directly determines the size of the contact gap and is an important factor affecting the flow. In this paper, the flow characteristics of interfacial fluid are numerically analyzed by means of finite element software Fluentfor the flow between contact interfaces. Firstly, the surface roughness is simulated by regular microconvex body, and the contact interface is simplified by parallel plate. Two and three dimensional flow models between rough contact interfaces are established, and the two models are numerically simulated. The effects of relative roughness and area ratio on velocity distribution, pressure distribution, wall shear stress distribution, circumfluence and resistance characteristics of laminar flow between interfaces are considered. Fractal theory is used to simulate rough surface contours and fractal contact models of single and two rough surfaces are established. The laminar flow between interfaces is also simulated by numerical analysis. The effects of fractal dimension and surface roughness on the interfacial flow are obtained. The study shows that the existence of the microconvex body can be equivalent to the reduction of the diameter of the pipe, even if the relative roughness of 2% in the laminar flow region will have an unnegligible effect on the laminar flow. It is considered that the source of the increase of laminar flow resistance between interfaces is the large pressure differential resistance caused by the reflux near the microconvex body. The wall shear stress varies with the shape of the microconvex body and reaches the maximum at the top of the microconvex body, which confirms that the resistance mainly comes from the tip of the microconvex body, and the simulation roughness of the microconvex body can simplify the actual complex surface by changing the structure and distribution of the microconvex body. The flow problem between contact interfaces in engineering can be analyzed. It is shown that the roughness profile has multi-scale and self-affine characteristics. The fractal theory can simplify the representation of rough surfaces, and the constructed surfaces are more consistent with the complex distribution of real surfaces, and can describe the properties of the surfaces more truthfully. (4) the fractal contact models of single rough surfaces and two rough surfaces are analyzed. The results show that the maximum velocity of flow increases with the increase of surface roughness, the pressure increases at the peak and decreases at the trough, and the wall shear stress fluctuates with the surface morphology. Using fractal theory to simulate the actual rough surface is helpful to the classification of complex engineering surfaces and has great research value.
【學(xué)位授予單位】：合肥工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TH117

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本文編號：1912363