粗糙表面接触界面间流体蠕变流动机理研究

The creeping flow of fluid between rough contacting interface extensively exists in manufacturing process and equipment sealing, and has a significant influence on the quality of products and the performance of equipments. Based on the characterization of surface topography and its correlation mechanism with micro flow property of fluid in contact interface of rough surfaces, three-dimensional connectivity and its variation in contacting process are studied. By combining surface topography characterization with fluid mechanics and percolation theory, the influences of surface topography, percolation threshold of contacting interface and viscous fingering effect on the creeping flow and critical performance of contacting interface are studied, and the mechanism of creeping flow of fluid in interface is explored. Based on the Stokes equation, and by introducing diffusion tensor and some other parameters which take the influences of percolation property and surface topography into consideration, the theory and method for quantitative description of creeping flow of fluid in rough contacting surfaces is proposed. The achievements of this research will provide theoretical foundation for controlling the creeping flow of fluid in contact interface, and has great significance on improving the equipment performance and reliability in the fields of aerospace,petroleum and chemical engineering etc.

粗糙表面接触界面间的流体蠕变流动问题在制造过程、装备密封中广泛存在，对产品的质量和装备的运行状态具有重要的影响。本项目将从表面形貌的表征及其与粗糙表面接触界面间流体微观流动的关联机制入手，研究表面形貌三维连通性的表征及其在表面接触过程的变化；通过将表面形貌表征、流体力学以及逾渗理论相结合，研究表面形貌、接触界面间逾渗阈值以及粘性指延效应等对粗糙表面接触界面间流体流动及其临界特性的影响，揭示界面间流体蠕变流动的机理；以Stokes方程为基础，并采用引入扩散张量等参数的方法引入逾渗特性以及表面形貌的影响，建立定量描述流体蠕变流动的方法，为实现粗糙表面接触界面间流体蠕变流动的控制提供理论基础，研究结果对提高航空航天、石油、化工等领域的装备性能和可靠性具有重要的指导意义。

粗糙表面相互接触时，流体在界面间的微观流动对制造过程中零件的加工质量和装备的密封性能有着重要影响，弄清微观尺度上接触和摩擦区域流体的蠕变流动机理，对控制界面间流体的微观流动，提高相应的产品质量和装备的可靠性具有重要意义。本项目从三维表面形貌的表征、接触界面的逾渗特性以及粗糙表面接触界面间流体的传输与铺展三个方面进行了系统的研究。首先基于数字滤波技术和逾渗理论，建立了表面形貌的逾渗模型，用逾渗概率、空体集团平均大小、空体集团分布系数对三维表面形貌逾渗特性进行了量化表征，通过研究谷与谷间相互连通状态的演变，研究了粗糙表面接触界面间的临界特性，提出了确定表面形貌逾渗阈值和逾渗体积的方法，实现了相互作用表面形貌连通性突变的量化表征。其次，通过制备随机分布离散性微凹坑表面，其润湿性的测试结果和滑动接触条件下的摩擦测试结果证实了当微凹坑面积占有率大于60%时，这种表面微观结构存在临界特征。此外，还发现表面接触角直接影响润滑油在滑动接触界面的铺展和流动。再次，通过有限元分析了粗糙接触界面间微流动流场的速度分布、压力分布、壁面切应力分布以及阻力特性，得到了分形维数和表面粗糙度对界面间流动的影响规律。然后，利用数值模拟和润湿性试验方法，对微尺度条件下固体表面流体的铺展与润湿机制进行了研究。通过建立流体平壁铺展动力学模型，研究了流体铺展过程中三相接触线的移动机制以及在接触界面间的作用，分析了固体表面形貌对三相接触线移动过程的影响，并用接触线的铺展速度、最终铺展半径以及铺展标定率等参数定量描述了接触界面流体的蠕变流动行为。研究结果表明，表面粗糙度在接触线移动过程中的力学作用机理，对设计表面形貌来控制界面流体的铺展与润湿特性，进而改善接触界面的密封特性有着重要的理论参考价值。