基于CFD的新型表面織構仿真分析

于如飛，寇 鑫，陳 渭

（1.西安航空學院機械工程學院，陜西西安710077；2.西安航天動力研究所，陜西西安710100；3.西安交通大學現代設計及轉子軸承系統教育部重點實驗室，陜西西安710049）

20世紀60年代中期，Hamilton等提出了“表面織構化”概念的雛形［1］，他們用微小不規則體（surface microirregularities）來定義物體表面的微凸體，并將單個微凸體視作1個具有一定承載能力的微小動壓潤滑軸承。通過實驗發現，微凸體發散區域存在空化現象。近年來，針對表面織構摩擦學設計的研究日益增多，研究對象主要包括機械密封結構［2］、機械加工刀具［3］、齒輪傳動系統［4］、滑動軸承［5-6］以及滾動軸承［7］等，研究方向逐漸從表面織構參數設計發展到表面織構參數優化［8-9］，例如表面織構的幾何形狀、大小以及分布方式等的優化。

對于確切的表面織構化概念，于如飛等［10］提出：通過使用某種技術手段或借助特定的機械加工設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律的一系列微小結構，以使相對運動表面的摩擦學性能或其他性能得到改善。總的來說，表面織構化改變了物體表面本身的形貌特征，從而使2 個相對運動表面之間的接觸、摩擦及潤滑狀態發生改變。大量研究表明，表面織構在不同的應用條件下均可發揮相應的功效。例如：在低速或缺乏潤滑油的工況下，每個獨立的表面織構都相當于1個“儲油箱”，其內部儲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，表面織構可作為微小流體潤滑軸承，以增強局部的動壓效應，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，表面織構可充當收集磨粒的微小容器，以減輕物體表面的犁溝效應（三體磨損轉變為二體磨損）［13］。

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

1 新型表面織構幾何參數仿真分析

1.1 仿真模型建立

本文采用商業CFD軟件Fluent來分析表面織構的潤滑性能。它采用基于完全非結構化網格的有限體積法（finite volume method，FVM）來求解整個流體域內的Navier-Stokes（N-S）方程和連續性方程［14］。

圖1所示為新型圓形表面織構。在傳統圓形表面織構底部，設計了高度為H的圓弧狀凸起結構，旨在改善沉積在底部的潤滑劑的流動狀態，使其在運動副之間形成良好的循環流動，尤其是對于一些流動性較差的非牛頓流體，例如在實際工程中的應用非常廣泛的各種脂類潤滑劑等。

圖1 新型圓形表面織構示意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。在圖2（a）所示的普通三角形表面織構的基礎上，對三角形形狀進行改進，分別為新型三角形Ⅰ和Ⅱ，分別如圖2（b）和（c）所示。

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

以包含1 個表面織構的微結構單元為對象，在Fluent軟件中建立其二維仿真模型。單個微結構單元的長度為8 mm，油膜厚度為0.2 mm；圓形表面織構的半徑為2 mm，深度為1 mm，底部凸起結構的高度H=0.4，0.5 和0.6 mm，三角形表面織構的深度為0.5 mm。根據常用潤滑油的性能參數，設置流體的黏度為0.004 Pa·s，密度為900 kg/m3。仿真分析時，設置的邊界條件如下：上、下表面均為無滑移邊界；上表面為移動壁面，以恒定的速度（u=1.4 mm/s）作平移運動；由于只取單個微結構單元進行分析，設兩側面為周期邊界條件，即該微結構單元入口處為相鄰單元的出口處；下表面及表面織構區域為靜止壁面。以新型圓形表面織構（底部圓弧狀凸起結構的高度H=0.5 mm）為例，在ICEMCFD（the integrated computer engineering and manufacturing code for computation‐al fluid dynamics）軟件中對其仿真模型進行網格劃分，如圖3所示。

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

1.2 仿真分析及結果對比

1.2.1 凸起高度的影響

對圓形表面織構的速度場和承載力進行仿真分析和對比。圖4所示為圓形表面織構周圍流體在垂直壁面方向的速度等值線。由圖4可以看出，底部凸起結構對圓形表面織構周圍流體在垂直壁面方向的速度分量有一定的影響；與無凸起結構的圓形表面織構（圖4（a）所示）相比，新型圓形表面織構周圍流體的最大流速有所減小，但流體在織構底部具有比較好的流動特性，且產生的渦流（在凸起結構處形成的封閉循環流動）數量較多，這有利于流體由下至上的循環流動，從而能夠為運動副表面提供充分的潤滑作用。流體在圓形表面織構底部凸起結構處良好地流動，在理論上可以降低其結痂的概率，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，新型圓形表面織構周圍流體的最大流速逐漸減小。

圖4 圓形表面織構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的承載力。由圖5可知，隨著凸起高度的增大，圓形表面織構的承載力先增大后減小再增大。當凸起高度H=0.5 和0.6 mm時，圓形織構表面的承載力分別取得最小值和最大值。這是因為凸起高度的增大在一定程度上增大了承載面積，但凸起高度越大，流體在織構底部產生的渦流數量也越多，而渦流的產生會消耗一定能量，從而導致表面織構的承載力下降。

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

1.2.2 形狀的影響

對三角形表面織構的速度場和承載力進行仿真分析和對比。圖6所示為三角形表面織構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相比，新型三角形表面織構周圍流體在其底部流動特性較好，其中新型三角形Ⅱ表面織構周圍流體的獨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性能。這是因為新型三角形Ⅱ的2個壁面的坡度不同，流體從緩坡位置流到陡坡位置時會產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流動，有利于向運動副表面提供二次潤滑作用。

圖6 三角形表面織構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種三角形表面織構的承載能力（為方便比較，對承載力進行了無量綱處理）。由圖7可以看出，新型三角形表面織構的承載能力較普通三角形表面織構有所提高，且新型三角形Ⅰ表面織構的承載面積更大，會產生更大的額外壓力，因此其承載能力最高，但其加工工藝性較差。

圖7 三角形表面織構的承載能力對比Fig.7 Comparison of bearing capacity of triangular sur‐face texture

2 新型表面織構分布角度仿真分析

在研究表面織構分布角度對其承載力及其周圍流體流速的影響時，為簡化仿真過程，以普通圓形表面織構為對象，建立了相應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域，其邊長為11.1 mm；圓形表面織構的直徑d=4 mm，深度為1 mm，分布角度θ=0°～90°。

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

對不同分布角度下圓形表面織構上表面的靜壓分布進行分析，結果如圖9所示。由圖9可知，壓力峰值位于出現在圓形表面織構的下游（沿流體運動方向），上游處為負壓，這是由圓形表面織構存在收斂和發散區域所引起的：上游的油膜厚度逐漸增大，屬于發散間隙；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，圓形表面織構上表面正壓的分布范圍逐漸增大，尤其是當θ>30°時，這種現象更為明顯；當θ=30°時，圓形表面織構上表面的壓力峰值最大。

圖9 圓形表面織構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，圓形表面織構的承載力總體上呈增大趨勢，這與靜壓分析結果是一致的；當θ=75°時，圓形表面織構的承載力最大。從不同分布角度下圓形表面織構周圍流體的三維流速分布圖（如圖11所示）中可以看出，當θ=75°時，流體在圓形表面織構處的流速明顯增大，流速峰值也較其他分布角度下的大，表明此時流體具有較好的流動性能。

圖10 不同分布角度下圓形表面織構的承載力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 結論

本文設計了2類新型表面織構，分別是底部帶有圓弧狀凸起結構的圓形表面織構和截面為特殊三角形的表面織構，并利用CFD 軟件Fluent 建立了其仿真模型，分別對其幾何參數和分布角度進行了相應的仿真分析，得出的主要結論如下。

1）對于圓形表面織構，底部凸起結構會使流體具有較好的流動特性，且會產生更多的渦流，這對流體由下而上的循環流動是有利的。此時，每個微小的織構都相當于1個“儲油箱”，可以為運動副表面提供源源不斷的潤滑介質。

2）與普通的三角形表面織構相比，新型三角形表面織構無論是在流體的流動特性方面，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痂，這對于流動性較差的脂類潤滑劑具有一定實用意義。

3）對圓形表面織構的分布角度θ進行仿真分析后發現，在一定范圍內，隨著分布角度θ的增大，表面織構的承載力總體上呈增大趨勢，且其上表面正壓的分布范圍也在增大，壓力峰值在θ=30°時出現，最大承載力在θ=75°時達到。

然而，本文僅通過仿真方法對各種新型表面織構進行了分析，后續應采用實驗進行驗證，甚至要進行工程實際的應用檢驗，才能使理論與實踐相互結合。