基于CFD的新型表面织构仿真分析

于如飞，寇 鑫，陈 渭

（1.西安航空学院机械工程学院，陕西西安710077；2.西安航天动力研究所，陕西西安710100；3.西安交通大学现代设计及转子轴承系统教育部重点实验室，陕西西安710049）

20世纪60年代中期，Hamilton等提出了“表面织构化”概念的雏形［1］，他们用微小不规则体（surface microirregularities）来定义物体表面的微凸体，并将单个微凸体视作1个具有一定承载能力的微小动压润滑轴承。通过实验发现，微凸体发散区域存在空化现象。近年来，针对表面织构摩擦学设计的研究日益增多，研究对象主要包括机械密封结构［2］、机械加工刀具［3］、齿轮传动系统［4］、滑动轴承［5-6］以及滚动轴承［7］等，研究方向逐渐从表面织构参数设计发展到表面织构参数优化［8-9］，例如表面织构的几何形状、大小以及分布方式等的优化。

对于确切的表面织构化概念，于如飞等［10］提出：通过使用某种技术手段或借助特定的机械加工设备人为地在物体表面生成具有不同几何形状和特定分布规律的一系列微小结构，以使相对运动表面的摩擦学性能或其他性能得到改善。总的来说，表面织构化改变了物体表面本身的形貌特征，从而使2 个相对运动表面之间的接触、摩擦及润滑状态发生改变。大量研究表明，表面织构在不同的应用条件下均可发挥相应的功效。例如：在低速或缺乏润滑油的工况下，每个独立的表面织构都相当于1个“储油箱”，其内部储存的润滑剂可作为物体表面二次润滑的供给源［11］；在高速、轻载工况下，表面织构可作为微小流体润滑轴承，以增强局部的动压效应，从而提高物体表面的承载能力［12］；在干摩擦或边界润滑工况下，表面织构可充当收集磨粒的微小容器，以减轻物体表面的犁沟效应（三体磨损转变为二体磨损）［13］。

基于此，笔者对传统的圆形和三角形表面织构进行改进，并利用CFD（computational fluid dynamics，计算流体力学）仿真技术，通过构建新型表面织构的二维模型来对其几何参数进行仿真分析，获得其速度场和承载力的分布情况；此外，以圆形表面织构为例，通过建立三维模型来对其分布角度进行仿真分析，并以最大承载力为目标，获取其最佳分布角度。

1 新型表面织构几何参数仿真分析

1.1 仿真模型建立

本文采用商业CFD软件Fluent来分析表面织构的润滑性能。它采用基于完全非结构化网格的有限体积法（finite volume method，FVM）来求解整个流体域内的Navier-Stokes（N-S）方程和连续性方程［14］。

图1所示为新型圆形表面织构。在传统圆形表面织构底部，设计了高度为H的圆弧状凸起结构，旨在改善沉积在底部的润滑剂的流动状态，使其在运动副之间形成良好的循环流动，尤其是对于一些流动性较差的非牛顿流体，例如在实际工程中的应用非常广泛的各种脂类润滑剂等。

图1 新型圆形表面织构示意Fig.1 Schematic diagram of novel circular surface texture

图2所示为3 种截面为三角形的表面织构。在图2（a）所示的普通三角形表面织构的基础上，对三角形形状进行改进，分别为新型三角形Ⅰ和Ⅱ，分别如图2（b）和（c）所示。

图2 三角形表面织构示意Fig.2 Schematic diagram of triangular surface texture

以包含1 个表面织构的微结构单元为对象，在Fluent软件中建立其二维仿真模型。单个微结构单元的长度为8 mm，油膜厚度为0.2 mm；圆形表面织构的半径为2 mm，深度为1 mm，底部凸起结构的高度H=0.4，0.5 和0.6 mm，三角形表面织构的深度为0.5 mm。根据常用润滑油的性能参数，设置流体的黏度为0.004 Pa·s，密度为900 kg/m3。仿真分析时，设置的边界条件如下：上、下表面均为无滑移边界；上表面为移动壁面，以恒定的速度（u=1.4 mm/s）作平移运动；由于只取单个微结构单元进行分析，设两侧面为周期边界条件，即该微结构单元入口处为相邻单元的出口处；下表面及表面织构区域为静止壁面。以新型圆形表面织构（底部圆弧状凸起结构的高度H=0.5 mm）为例，在ICEMCFD（the integrated computer engineering and manufacturing code for computation‐al fluid dynamics）软件中对其仿真模型进行网格划分，如图3所示。

图3 新型圆形表面织构仿真模型的网格划分情况Fig.3 Mesh generation of novel circular surface texture sim‐ulation model

1.2 仿真分析及结果对比

1.2.1 凸起高度的影响

对圆形表面织构的速度场和承载力进行仿真分析和对比。图4所示为圆形表面织构周围流体在垂直壁面方向的速度等值线。由图4可以看出，底部凸起结构对圆形表面织构周围流体在垂直壁面方向的速度分量有一定的影响；与无凸起结构的圆形表面织构（图4（a）所示）相比，新型圆形表面织构周围流体的最大流速有所减小，但流体在织构底部具有比较好的流动特性，且产生的涡流（在凸起结构处形成的封闭循环流动）数量较多，这有利于流体由下至上的循环流动，从而能够为运动副表面提供充分的润滑作用。流体在圆形表面织构底部凸起结构处良好地流动，在理论上可以降低其结痂的概率，特别是在一些极端的工况下，如低速、重载工况。此外，由图4（b）至（d）可以看出，随着底部凸起高度的增大，新型圆形表面织构周围流体的最大流速逐渐减小。

图4 圆形表面织构周围流体在垂直壁面方向的速度等值线Fig.4 Velocity contour of fluid around the circular surface texture in the direction perpendicular to the wall

图5所示为不同凸起高度下圆形表面织构的承载力。由图5可知，随着凸起高度的增大，圆形表面织构的承载力先增大后减小再增大。当凸起高度H=0.5 和0.6 mm时，圆形织构表面的承载力分别取得最小值和最大值。这是因为凸起高度的增大在一定程度上增大了承载面积，但凸起高度越大，流体在织构底部产生的涡流数量也越多，而涡流的产生会消耗一定能量，从而导致表面织构的承载力下降。

图5 不同凸起高度下圆形表面织构的承载力Fig.5 Bearing capacity of circular surface texture un‐der different bulge heights

1.2.2 形状的影响

对三角形表面织构的速度场和承载力进行仿真分析和对比。图6所示为三角形表面织构周围流体在垂直壁面方向的速度等值线。由图6可以看出，与普通三角形表面织构相比，新型三角形表面织构周围流体在其底部流动特性较好，其中新型三角形Ⅱ表面织构周围流体的独立速度等值线圈的范围更大且更密集，说明其周围流体具有更好的流动性能。这是因为新型三角形Ⅱ的2个壁面的坡度不同，流体从缓坡位置流到陡坡位置时会产生速度的突变和反流，从而使流体在此处形成更理想的封闭循环流动，有利于向运动副表面提供二次润滑作用。

图6 三角形表面织构周围流体在垂直壁面方向的速度等值线Fig.6 Velocity contour of fluid around the triangular surface texture in the direction perpendicular to the wall

图7所示为3种三角形表面织构的承载能力（为方便比较，对承载力进行了无量纲处理）。由图7可以看出，新型三角形表面织构的承载能力较普通三角形表面织构有所提高，且新型三角形Ⅰ表面织构的承载面积更大，会产生更大的额外压力，因此其承载能力最高，但其加工工艺性较差。

图7 三角形表面织构的承载能力对比Fig.7 Comparison of bearing capacity of triangular sur‐face texture

2 新型表面织构分布角度仿真分析

在研究表面织构分布角度对其承载力及其周围流体流速的影响时，为简化仿真过程，以普通圆形表面织构为对象，建立了相应的几何模型和仿真模型。图8所示为截取的正方形物体表面区域，其边长为11.1 mm；圆形表面织构的直径d=4 mm，深度为1 mm，分布角度θ=0°～90°。

图8 圆形表面织构的分布模型Fig.8 Distribution model of circular surface texture

对不同分布角度下圆形表面织构上表面的静压分布进行分析，结果如图9所示。由图9可知，压力峰值位于出现在圆形表面织构的下游（沿流体运动方向），上游处为负压，这是由圆形表面织构存在收敛和发散区域所引起的：上游的油膜厚度逐渐增大，属于发散间隙；下游的油膜厚度逐渐减小，属于收敛间隙。此外，从图中还可以看出，随着分布角度θ的增大，圆形表面织构上表面正压的分布范围逐渐增大，尤其是当θ>30°时，这种现象更为明显；当θ=30°时，圆形表面织构上表面的压力峰值最大。

图9 圆形表面织构上表面静压分布云图Fig.9 Cloud diagram of static pressure distribution on the upper surface of circular surface texture

图10所示为不同分布角度下圆形表面织构的承载力。由图10可以看出，随着分布角度θ的增大，圆形表面织构的承载力总体上呈增大趋势，这与静压分析结果是一致的；当θ=75°时，圆形表面织构的承载力最大。从不同分布角度下圆形表面织构周围流体的三维流速分布图（如图11所示）中可以看出，当θ=75°时，流体在圆形表面织构处的流速明显增大，流速峰值也较其他分布角度下的大，表明此时流体具有较好的流动性能。

图10 不同分布角度下圆形表面织构的承载力Fig.10 Bearing capacity of circular surface texture under dif‐ferent distribution angles

图11 不同分布角度下圆形表面织构周围流体的流速分布Fig.11 Velocity distribution of fluid around the circular sur‐face texture under different distribution angles

3 结论

本文设计了2类新型表面织构，分别是底部带有圆弧状凸起结构的圆形表面织构和截面为特殊三角形的表面织构，并利用CFD 软件Fluent 建立了其仿真模型，分别对其几何参数和分布角度进行了相应的仿真分析，得出的主要结论如下。

1）对于圆形表面织构，底部凸起结构会使流体具有较好的流动特性，且会产生更多的涡流，这对流体由下而上的循环流动是有利的。此时，每个微小的织构都相当于1个“储油箱”，可以为运动副表面提供源源不断的润滑介质。

2）与普通的三角形表面织构相比，新型三角形表面织构无论是在流体的流动特性方面，还是在承载力方面，性能都更佳，可在一定程度上避免流体氧化结痂，这对于流动性较差的脂类润滑剂具有一定实用意义。

3）对圆形表面织构的分布角度θ进行仿真分析后发现，在一定范围内，随着分布角度θ的增大，表面织构的承载力总体上呈增大趋势，且其上表面正压的分布范围也在增大，压力峰值在θ=30°时出现，最大承载力在θ=75°时达到。

然而，本文仅通过仿真方法对各种新型表面织构进行了分析，后续应采用实验进行验证，甚至要进行工程实际的应用检验，才能使理论与实践相互结合。