高速重载工况下微尺度缝隙间粘塑性流体流动及动力学特性研究

流体动力系统微尺度缝隙内粘性流体的流动和液体膜的动力学特性对系统的整体工作性能和运行可靠性有广泛影响。随着科技的发展，应用于航空航天、船舶、汽车制造、电力等行业中的流体动力系统的运行工况发生了很大的变化，大载荷、高温、高速、非稳定工况等极端条件被越来越多的加以考虑。高速重载工况下，深入分析影响微尺度缝隙内液体流动、液体膜刚度和承载力变化的因素对研究系统的动力学特性具有非常重要的意义。本项目将基于连续介质力学方法、流体变粘度和边界滑移理论，建立高速重载工况下液压转台系统微尺度缝隙内粘塑性流体的运动学与动力学数学模型，理论和数值分析模型的流动发展过程与静、动态动力学特性，考虑边界滑移、粘度、剪切率、温度、膜厚、承载压力、工作台运动速度、供油压力等因素的影响；实验和数值研究微尺度缝隙内的液体流动特性、液体膜刚度特性和承载特性等，研究和揭示液体膜成膜条件与破坏机理。

本课题基于连续介质力学方法、流体变粘度和边界滑移理论，考虑边界滑移、粘度、剪切率、温度、膜厚、承载压力、工作台运动速度、供油压力等因素的影响，理论、数值和实验研究了高速重载工况下液压转台系统微尺度缝隙内粘塑性流体的流动特性、液体膜刚度变化规律和承载特性。1、研究了静态、偏载和变载工况下液体静压转台系统中油腔的流场结构和承载特性。推导了适用于上壁面转动时油腔内流体润滑的雷诺方程，分析了润滑油粘度、入口流量、封油边间隙、壁面转动速度和边界滑移等因素对油腔中流场结构、速度分布和壁面压强分布的影响，模拟得出油腔压强和交界面位移的变化特性曲线。研究了轴对称径向发散流动中入口雷诺数和隙径比对流场结构形态、独立涡长度、独立涡间生长竞争及入口段长度等缝隙流域流场结构特性的影响。2、研究了有、无壁面滑移边界条件下的油膜缝隙流动特性。考虑了表观附加粘度、温粘特性、非牛顿流体属性等因素对缝隙内边界滑移的影响，推导了基于边界层厚度的边界滑移模型，分析了Navier边界滑移条件对方腔内流动涡特性的影响。采用非线性滑移模型研究了旋转对称密封缝隙流动特性，研究了缝隙壁面滑移行为对方腔内涡分离线位置和形态变化的影响。3、研究了液体在不同几何结构微通道中的流动和传热性能。在相同热边界条件下，通过比较水力直径、通道长度和宽高比等几何参数对液体微流动的影响，得到各参数对泊肃叶数和努塞尔数的影响关系。研究了不同压力差、微通道尺寸和表面粗糙度下，液体在微通道内的流动摩擦系数，并通过摩擦系数随雷诺数的变化曲线推断微通道流动转捩的雷诺数范围。研究了对流Y型微通道中Y型角度、连续相毛细数、分散相速度及两相流量等因素对两相界面形貌变化特性及其变化规律的影响。4、研究了收敛楔中粘塑性流体动力润滑性能及边界滑移行为。选取Smith流变模型，基于微元体方法推导了粘塑性流体动力润滑的Reynolds方程和适用于粘塑性流体动力润滑过程的能量方程，并对粘塑性流体动力润滑的流动特性、润滑性能、润滑失效、温度分布特性以及边界滑移行为进行了研究。针对等温常粘不可压缩流体动力润滑问题，根据润滑膜中切应力分布情况及最大切应力所在位置给出了润滑过程中初始滑移位置，滑移区域发展方式及分布的理论分析。通过联立求解不同区域的粘塑性流体动力润滑方程，对多种膜厚比和运动润滑表面速度下的收敛楔中粘塑性流体动力润滑特性及其边界滑移行为进行了分析。