基于CFD的新型表面織構(gòu)仿真分析

于如飛，寇 鑫，陳 渭

（1.西安航空學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，陜西西安710077；2.西安航天動(dòng)力研究所，陜西西安710100；3.西安交通大學(xué)現(xiàn)代設(shè)計(jì)及轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安710049）

20世紀(jì)60年代中期，Hamilton等提出了“表面織構(gòu)化”概念的雛形［1］，他們用微小不規(guī)則體（surface microirregularities）來定義物體表面的微凸體，并將單個(gè)微凸體視作1個(gè)具有一定承載能力的微小動(dòng)壓潤滑軸承。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，微凸體發(fā)散區(qū)域存在空化現(xiàn)象。近年來，針對(duì)表面織構(gòu)摩擦學(xué)設(shè)計(jì)的研究日益增多，研究對(duì)象主要包括機(jī)械密封結(jié)構(gòu)［2］、機(jī)械加工刀具［3］、齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)［4］、滑動(dòng)軸承［5-6］以及滾動(dòng)軸承［7］等，研究方向逐漸從表面織構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)發(fā)展到表面織構(gòu)參數(shù)優(yōu)化［8-9］，例如表面織構(gòu)的幾何形狀、大小以及分布方式等的優(yōu)化。

對(duì)于確切的表面織構(gòu)化概念，于如飛等［10］提出：通過使用某種技術(shù)手段或借助特定的機(jī)械加工設(shè)備人為地在物體表面生成具有不同幾何形狀和特定分布規(guī)律的一系列微小結(jié)構(gòu)，以使相對(duì)運(yùn)動(dòng)表面的摩擦學(xué)性能或其他性能得到改善。總的來說，表面織構(gòu)化改變了物體表面本身的形貌特征，從而使2 個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)表面之間的接觸、摩擦及潤滑狀態(tài)發(fā)生改變。大量研究表明，表面織構(gòu)在不同的應(yīng)用條件下均可發(fā)揮相應(yīng)的功效。例如：在低速或缺乏潤滑油的工況下，每個(gè)獨(dú)立的表面織構(gòu)都相當(dāng)于1個(gè)“儲(chǔ)油箱”，其內(nèi)部?jī)?chǔ)存的潤滑劑可作為物體表面二次潤滑的供給源［11］；在高速、輕載工況下，表面織構(gòu)可作為微小流體潤滑軸承，以增強(qiáng)局部的動(dòng)壓效應(yīng)，從而提高物體表面的承載能力［12］；在干摩擦或邊界潤滑工況下，表面織構(gòu)可充當(dāng)收集磨粒的微小容器，以減輕物體表面的犁溝效應(yīng)（三體磨損轉(zhuǎn)變?yōu)槎w磨損）［13］。

基于此，筆者對(duì)傳統(tǒng)的圓形和三角形表面織構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，并利用CFD（computational fluid dynamics，計(jì)算流體力學(xué)）仿真技術(shù)，通過構(gòu)建新型表面織構(gòu)的二維模型來對(duì)其幾何參數(shù)進(jìn)行仿真分析，獲得其速度場(chǎng)和承載力的分布情況；此外，以圓形表面織構(gòu)為例，通過建立三維模型來對(duì)其分布角度進(jìn)行仿真分析，并以最大承載力為目標(biāo)，獲取其最佳分布角度。

1 新型表面織構(gòu)幾何參數(shù)仿真分析

1.1 仿真模型建立

本文采用商業(yè)CFD軟件Fluent來分析表面織構(gòu)的潤滑性能。它采用基于完全非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的有限體積法（finite volume method，F(xiàn)VM）來求解整個(gè)流體域內(nèi)的Navier-Stokes（N-S）方程和連續(xù)性方程［14］。

圖1所示為新型圓形表面織構(gòu)。在傳統(tǒng)圓形表面織構(gòu)底部，設(shè)計(jì)了高度為H的圓弧狀凸起結(jié)構(gòu)，旨在改善沉積在底部的潤滑劑的流動(dòng)狀態(tài)，使其在運(yùn)動(dòng)副之間形成良好的循環(huán)流動(dòng)，尤其是對(duì)于一些流動(dòng)性較差的非牛頓流體，例如在實(shí)際工程中的應(yīng)用非常廣泛的各種脂類潤滑劑等。

圖1 新型圓形表面織構(gòu)示意Fig.1 Schematic diagram of novel circular surface texture

圖2所示為3 種截面為三角形的表面織構(gòu)。在圖2（a）所示的普通三角形表面織構(gòu)的基礎(chǔ)上，對(duì)三角形形狀進(jìn)行改進(jìn)，分別為新型三角形Ⅰ和Ⅱ，分別如圖2（b）和（c）所示。

圖2 三角形表面織構(gòu)示意Fig.2 Schematic diagram of triangular surface texture

以包含1 個(gè)表面織構(gòu)的微結(jié)構(gòu)單元為對(duì)象，在Fluent軟件中建立其二維仿真模型。單個(gè)微結(jié)構(gòu)單元的長度為8 mm，油膜厚度為0.2 mm；圓形表面織構(gòu)的半徑為2 mm，深度為1 mm，底部凸起結(jié)構(gòu)的高度H=0.4，0.5 和0.6 mm，三角形表面織構(gòu)的深度為0.5 mm。根據(jù)常用潤滑油的性能參數(shù)，設(shè)置流體的黏度為0.004 Pa·s，密度為900 kg/m3。仿真分析時(shí)，設(shè)置的邊界條件如下：上、下表面均為無滑移邊界；上表面為移動(dòng)壁面，以恒定的速度（u=1.4 mm/s）作平移運(yùn)動(dòng)；由于只取單個(gè)微結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行分析，設(shè)兩側(cè)面為周期邊界條件，即該微結(jié)構(gòu)單元入口處為相鄰單元的出口處；下表面及表面織構(gòu)區(qū)域?yàn)殪o止壁面。以新型圓形表面織構(gòu)（底部圓弧狀凸起結(jié)構(gòu)的高度H=0.5 mm）為例，在ICEMCFD（the integrated computer engineering and manufacturing code for computation‐al fluid dynamics）軟件中對(duì)其仿真模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖3所示。

圖3 新型圓形表面織構(gòu)仿真模型的網(wǎng)格劃分情況Fig.3 Mesh generation of novel circular surface texture sim‐ulation model

1.2 仿真分析及結(jié)果對(duì)比

1.2.1 凸起高度的影響

對(duì)圓形表面織構(gòu)的速度場(chǎng)和承載力進(jìn)行仿真分析和對(duì)比。圖4所示為圓形表面織構(gòu)周圍流體在垂直壁面方向的速度等值線。由圖4可以看出，底部凸起結(jié)構(gòu)對(duì)圓形表面織構(gòu)周圍流體在垂直壁面方向的速度分量有一定的影響；與無凸起結(jié)構(gòu)的圓形表面織構(gòu)（圖4（a）所示）相比，新型圓形表面織構(gòu)周圍流體的最大流速有所減小，但流體在織構(gòu)底部具有比較好的流動(dòng)特性，且產(chǎn)生的渦流（在凸起結(jié)構(gòu)處形成的封閉循環(huán)流動(dòng)）數(shù)量較多，這有利于流體由下至上的循環(huán)流動(dòng)，從而能夠?yàn)檫\(yùn)動(dòng)副表面提供充分的潤滑作用。流體在圓形表面織構(gòu)底部凸起結(jié)構(gòu)處良好地流動(dòng)，在理論上可以降低其結(jié)痂的概率，特別是在一些極端的工況下，如低速、重載工況。此外，由圖4（b）至（d）可以看出，隨著底部凸起高度的增大，新型圓形表面織構(gòu)周圍流體的最大流速逐漸減小。

圖4 圓形表面織構(gòu)周圍流體在垂直壁面方向的速度等值線Fig.4 Velocity contour of fluid around the circular surface texture in the direction perpendicular to the wall

圖5所示為不同凸起高度下圓形表面織構(gòu)的承載力。由圖5可知，隨著凸起高度的增大，圓形表面織構(gòu)的承載力先增大后減小再增大。當(dāng)凸起高度H=0.5 和0.6 mm時(shí)，圓形織構(gòu)表面的承載力分別取得最小值和最大值。這是因?yàn)橥蛊鸶叨鹊脑龃笤谝欢ǔ潭壬显龃罅顺休d面積，但凸起高度越大，流體在織構(gòu)底部產(chǎn)生的渦流數(shù)量也越多，而渦流的產(chǎn)生會(huì)消耗一定能量，從而導(dǎo)致表面織構(gòu)的承載力下降。

圖5 不同凸起高度下圓形表面織構(gòu)的承載力Fig.5 Bearing capacity of circular surface texture un‐der different bulge heights

1.2.2 形狀的影響

對(duì)三角形表面織構(gòu)的速度場(chǎng)和承載力進(jìn)行仿真分析和對(duì)比。圖6所示為三角形表面織構(gòu)周圍流體在垂直壁面方向的速度等值線。由圖6可以看出，與普通三角形表面織構(gòu)相比，新型三角形表面織構(gòu)周圍流體在其底部流動(dòng)特性較好，其中新型三角形Ⅱ表面織構(gòu)周圍流體的獨(dú)立速度等值線圈的范圍更大且更密集，說明其周圍流體具有更好的流動(dòng)性能。這是因?yàn)樾滦腿切微虻?個(gè)壁面的坡度不同，流體從緩坡位置流到陡坡位置時(shí)會(huì)產(chǎn)生速度的突變和反流，從而使流體在此處形成更理想的封閉循環(huán)流動(dòng)，有利于向運(yùn)動(dòng)副表面提供二次潤滑作用。

圖6 三角形表面織構(gòu)周圍流體在垂直壁面方向的速度等值線Fig.6 Velocity contour of fluid around the triangular surface texture in the direction perpendicular to the wall

圖7所示為3種三角形表面織構(gòu)的承載能力（為方便比較，對(duì)承載力進(jìn)行了無量綱處理）。由圖7可以看出，新型三角形表面織構(gòu)的承載能力較普通三角形表面織構(gòu)有所提高，且新型三角形Ⅰ表面織構(gòu)的承載面積更大，會(huì)產(chǎn)生更大的額外壓力，因此其承載能力最高，但其加工工藝性較差。

圖7 三角形表面織構(gòu)的承載能力對(duì)比Fig.7 Comparison of bearing capacity of triangular sur‐face texture

2 新型表面織構(gòu)分布角度仿真分析

在研究表面織構(gòu)分布角度對(duì)其承載力及其周圍流體流速的影響時(shí)，為簡(jiǎn)化仿真過程，以普通圓形表面織構(gòu)為對(duì)象，建立了相應(yīng)的幾何模型和仿真模型。圖8所示為截取的正方形物體表面區(qū)域，其邊長為11.1 mm；圓形表面織構(gòu)的直徑d=4 mm，深度為1 mm，分布角度θ=0°～90°。

圖8 圓形表面織構(gòu)的分布模型Fig.8 Distribution model of circular surface texture

對(duì)不同分布角度下圓形表面織構(gòu)上表面的靜壓分布進(jìn)行分析，結(jié)果如圖9所示。由圖9可知，壓力峰值位于出現(xiàn)在圓形表面織構(gòu)的下游（沿流體運(yùn)動(dòng)方向），上游處為負(fù)壓，這是由圓形表面織構(gòu)存在收斂和發(fā)散區(qū)域所引起的：上游的油膜厚度逐漸增大，屬于發(fā)散間隙；下游的油膜厚度逐漸減小，屬于收斂間隙。此外，從圖中還可以看出，隨著分布角度θ的增大，圓形表面織構(gòu)上表面正壓的分布范圍逐漸增大，尤其是當(dāng)θ>30°時(shí)，這種現(xiàn)象更為明顯；當(dāng)θ=30°時(shí)，圓形表面織構(gòu)上表面的壓力峰值最大。

圖9 圓形表面織構(gòu)上表面靜壓分布云圖Fig.9 Cloud diagram of static pressure distribution on the upper surface of circular surface texture

圖10所示為不同分布角度下圓形表面織構(gòu)的承載力。由圖10可以看出，隨著分布角度θ的增大，圓形表面織構(gòu)的承載力總體上呈增大趨勢(shì)，這與靜壓分析結(jié)果是一致的；當(dāng)θ=75°時(shí)，圓形表面織構(gòu)的承載力最大。從不同分布角度下圓形表面織構(gòu)周圍流體的三維流速分布圖（如圖11所示）中可以看出，當(dāng)θ=75°時(shí)，流體在圓形表面織構(gòu)處的流速明顯增大，流速峰值也較其他分布角度下的大，表明此時(shí)流體具有較好的流動(dòng)性能。

圖10 不同分布角度下圓形表面織構(gòu)的承載力Fig.10 Bearing capacity of circular surface texture under dif‐ferent distribution angles

圖11 不同分布角度下圓形表面織構(gòu)周圍流體的流速分布Fig.11 Velocity distribution of fluid around the circular sur‐face texture under different distribution angles

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了2類新型表面織構(gòu)，分別是底部帶有圓弧狀凸起結(jié)構(gòu)的圓形表面織構(gòu)和截面為特殊三角形的表面織構(gòu)，并利用CFD 軟件Fluent 建立了其仿真模型，分別對(duì)其幾何參數(shù)和分布角度進(jìn)行了相應(yīng)的仿真分析，得出的主要結(jié)論如下。

1）對(duì)于圓形表面織構(gòu)，底部凸起結(jié)構(gòu)會(huì)使流體具有較好的流動(dòng)特性，且會(huì)產(chǎn)生更多的渦流，這對(duì)流體由下而上的循環(huán)流動(dòng)是有利的。此時(shí)，每個(gè)微小的織構(gòu)都相當(dāng)于1個(gè)“儲(chǔ)油箱”，可以為運(yùn)動(dòng)副表面提供源源不斷的潤滑介質(zhì)。

2）與普通的三角形表面織構(gòu)相比，新型三角形表面織構(gòu)無論是在流體的流動(dòng)特性方面，還是在承載力方面，性能都更佳，可在一定程度上避免流體氧化結(jié)痂，這對(duì)于流動(dòng)性較差的脂類潤滑劑具有一定實(shí)用意義。

3）對(duì)圓形表面織構(gòu)的分布角度θ進(jìn)行仿真分析后發(fā)現(xiàn)，在一定范圍內(nèi)，隨著分布角度θ的增大，表面織構(gòu)的承載力總體上呈增大趨勢(shì)，且其上表面正壓的分布范圍也在增大，壓力峰值在θ=30°時(shí)出現(xiàn)，最大承載力在θ=75°時(shí)達(dá)到。

然而，本文僅通過仿真方法對(duì)各種新型表面織構(gòu)進(jìn)行了分析，后續(xù)應(yīng)采用實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，甚至要進(jìn)行工程實(shí)際的應(yīng)用檢驗(yàn)，才能使理論與實(shí)踐相互結(jié)合。