超精密机床静压气浮导轨表面微结构设计研究

以减少超精密机床气浮导轨高速运动时气体阻力为设计目标,应用雷诺平均方程(Reynolds-averaged Navier–Stokes equations,RANS)和带旋流修正的k-ε湍流模型,建立导轨微结构功能表面流体动力学减阻分析模型。采用减阻机理分析与仿真方法对比分析矩形沟槽、V形沟槽、U形沟槽、Space-V沟槽等四种微结构表面构型,确定最适合超精密机床气浮导轨表面减阻需求的构型是V形沟槽结构表面。继而对V形沟槽表面几何参数进行优化设计,获得优化的沟槽角度、宽度、间距设计参数,确定最优超精密机床静压气浮导轨微结构功能表面。该设计研究可用于进一步保障超精密机床设计精度和运动精度。     

非光滑管道壁面减阻性能研究

旨在研究不同非光滑管道壁面流体摩擦阻力特性差异。基于仿生学原理和平板边界层理论,设计凹坑型、凸起型和波浪型3种非光滑管道壁面造型;采用数值模拟方法揭示不同非光滑管道壁面形态对流体摩擦阻力的影响规律;针对减阻性能最佳的凹坑型非光滑管道壁面,探索不同排列方式与流体减阻性能的关系。计算结果表明:凹坑型非光滑管道壁面沿程阻力系数最小,相比基准管道壁面模型其减阻率可提高35.57%;均匀排列方式的管道沿程减阻效果最显著。研究可对管道内壁面基于纹理减阻提供一定的参考依据。     

表面微结构的尺寸参数对其减阻性能的影响

为了研究微结构尺寸参数对减阻性能的影响规律，构建了V形、L形及T形三种微结构有限元模型，采用Fluent软件进行数值模拟，分析微结构尺寸参数(高宽比、数量和间距)对减阻率、速度和涡量的影响。结果 相较于L形、T形微结构，V形微结构的减阻性能较优，减阻率可达15.6%。当V形微结构高宽比为1∶1,流体域速度为6 m/s时，减阻效果最优，减阻率可达5%;V形微结构展向数量对减阻性能的影响较小，减阻率在14%-16%之间变化；当间距值为0.05时，减阻率最大为14%。结论 微结构使得近壁区边界层内发生了湍流猝发现象，外部高速流体与壁面区域的流体分隔开，变相的增加了边界层的厚度。同时涡量集中在微结构尖端处，减弱反向旋涡的强度，抑制了低速条带的形成和发展。     

二级规则微结构对低表面能纳米通道内微流动的影响

以低表面能纳米通道内液态Poiseuille流为对象,采用分子动力学模拟方法研究通道壁面上布置二级规则微结构后对微流动特性的影响规律。数值模拟中,统计系综为微正则系综,势能函数采用LJ/126模型,壁面定义为Rigid-atom壁面,温度校正使用速度定标法,而壁面低表面能属性则通过调整壁面铂原子与液态氩原子间的势能参数来实现。结果表明,布置二级矩形和三角形微结构后壁面附近流体密度法向分布会出现两个振荡阶段,即在微结构内部出现振幅相对较小的次级振荡过程,但通道中心区流动与光滑壁面通道相似;随微结构周期T的增大,二级微结构内密度法向振幅逐渐增大,而近壁面区域振幅则减弱;而二级微结构深度H的增大,则导致其内的次级振荡幅值减小,且分布起点随之下移。另外,随微结构周期T、深度H的增大,通道内流体平均流量均逐渐增大,即呈现更好的减阻效果。     

光纤激光加工CVD金刚石微沟槽研究

研究采用光纤激光器对CVD金刚石薄膜表面进行V型沟槽微加工,设计出3种不同截面的微沟槽结构,并分析了脉宽和扫描频次等不同工艺参数对此类微沟槽微观结构的影响规律。研究结果表明:光纤激光加工出的3种V型沟槽微结构与所设计的结构基本一致;V型沟槽宽度与沟槽宽度设计有关,即使增加脉宽,三种V型沟槽都在扫描频次到达5次后槽宽都会饱和;而V型沟槽深度则与设计V型沟槽截面形状、激光扫描频次次数和脉宽有关,对称型截面的沟槽深度比非对称要深,脉宽越大,激光刻蚀反应越激烈,沟槽深度越深,扫描频次次数越多,沟槽深度越深。     

V型毛细微沟槽犁切-挤压成形试验研究

采用犁切—挤压一次成形加工工艺,在0.5mm厚的铜带表面加工出V形毛细微沟槽结构。对所加工的V型微沟槽进行电镜扫描,观察其特征,并用显微镜测量其几何参数。分析了不同加工参数和刀具结构参数对沟槽翅高和槽深度的影响。研究结果表明:在V型微沟槽成形过程中,受到加工参数和刀具结构参数的联合影响。     

一种低流阻表面的流动与传热特性

采用数值模拟方法对流体在有圆孔表面的流动及传热特性进行研究。研究中分别对四种不同的工况进行数值模拟。数值模拟结果所得换热面努塞尔数Nu与采用迪图斯—波尔特(Dittus-Boelter)公式计算所得Nu数进行比较,计算误差均小于5%。研究结果表明,在四种工况下,圆孔表面由于圆孔的存在改变其表面附近流动边界层的流动结构,使得边界层内垂直于壁面的法向速度梯度变小,进而使得边界层厚度增加,且由于圆孔表面下方流体可吸收部分来自边界层以外的动量传递,降低壁面附近的湍流扰动,从而减少损耗,达到明显的减阻效果。计算结果显示:四种工况下圆孔表面的存在使得流动均有不同程度的减阻效果,四种工况中减阻效果最大可达14%;但是随着流动减阻效果的改善,圆孔表面的换热性能均有所降低。     

超疏水表面减阻特性的研究进展

超疏水表面具有减阻效果,在提高管道传输效率、降低水下航行体和微流体器件中流动阻力等方面有着广阔的应用前景。介绍超疏水表面的制备、滑移理论以及减阻特性的研究,讨论微尺度下表面润湿性、表面微结构和流场流动状态对壁面减阻的影响,对超疏水壁面减阻的物理机制进行总结,并指出气体层不连续模型和气穴模型是分别适用于光滑疏水表面和带微结构超疏水表面的减阻模型。介绍超疏水表面减阻特性的一些应用,提出将超疏水表面应用到微流体系统中面临的问题,如微通道壁面疏水性的制备及其减阻效果的耐久性。     

合成射流对钝尾缘翼型气动特性的影响

研究吸力面存在合成射流的情况下,钝尾缘翼型TR-4000-2000流场结构的变化及其升阻力系数等气动特性参数的变化趋势。在相同射流入口速度条件下,采用计算流体力学软件Fluent对相同来流速度不同攻角情况下翼型流场进行非定常数值模拟计算,分析射流前后翼型升阻力系数变化及翼型表面压力的波动状况;在此基础上,对不同射流频率和不同射流速度情况下翼型流场进行模拟计算,寻求最佳射流参数。结果表明,由于射流及尾缘涡的相互作用导致翼型的升阻力特性不断变化,钝尾缘翼型吸力面合成射流有明显的增升减阻效果,在15°攻角时尤为明显,升力系数提高约40%,阻力系数减小约25%。在量纲一射流速度和量纲一射流频率均为1时,射流对翼型的增升减阻效果最佳。     

刀具表面微结构对流体润滑状态的仿真分析

为探讨刀具表面微结构的润滑情况和减摩机制,使用流体软件FLUENT仿真分析刀-屑接触面间润滑流体的流动情况,研究不同微结构面积率、深度及形状参数下润滑流体的压强分布、承载力、入口质量流速等,得到微结构优化参数;同时分析油膜上壁面运动速度及油膜厚度对润滑性能的影响。结果表明:随微结构区域面积率的增加,动压效应先增大后减小,总承载力持续下降;随着微结构深度的增加,总压承载先增大后趋于稳定,但动压效应总体趋于减小;正方形凹坑的总压承载情况较好,直沟槽的动压承载最好,波浪形沟槽的动、总压承载都较好;随着油膜厚度的增加,总压呈现下降趋势;随着油膜上壁面运动速度的增加,入口质量流速急剧增加,油膜上壁面的总压承载变化很小,动压承载急剧减小。优化的微结构可以减小刀-屑界面的摩擦,延缓刀具磨损,且切削速度和油膜厚度的选择可指导实际加工参数的设定。     

非牛顿介质中图形化表面对减阻效果的影响

为研究图形化表面在非牛顿介质中对减阻效果的影响,在微摩擦试验机(UMT)上进行了销盘润滑实验。实验中在硅片的表面刻蚀了纵向和横向2种沟槽以形成不同的表面图形。实验表明,与光滑表面相比,当剪切速率处于牛顿流动区时,沟槽具有一定的减阻效果;而当剪切速率处于剪切稀化区时,沟槽表面的阻力上升;并且横向沟槽表面的阻力总是大于纵向沟槽表面的阻力。流体数值计算的结果表明,横向沟槽侧壁的压差阻力和纵向沟槽侧壁的粘性阻力无法完全补偿沟槽底面上的阻力损失,因而产生了减阻效果。     

变组分变掺杂p-i-n型AlGaAs/GaAs微结构中子探测器性能表征

制备了一种在p-i-n型AlGaAs/GaAs材料上刻蚀微沟槽的中子探测器。通过MOCVD技术生长了变组分变掺杂的p-i-n型AlGaAs/GaAs，使用ICP技术在材料上刻出微沟槽，沟槽宽度为25μm，深度为10μm。探测器的探测面积为4 mm2，沟槽宽度和间距为1∶1，呈周期性排列，在沟槽中填充中子转换材料探测热中子信号。通过对平面和微结构p-i-n型AlGaAs/GaAs探测器的电学特性、α粒子以及中子探测性能的比较分析，发现两者在电学特性和α粒子能量分辨率方面有较大差别。5 V偏压下平面型和微结构AlGaAs/GaAs探测器的漏电流分别是-0.024 1μA、-0.627μA，两者相差近30倍，这是由于微结构刻蚀了部分异质结导致器件表面漏电流增加。0 V偏压下微结构探测器α粒子能量分辨率比平面型也有些许恶化，但在热中子探测上微结构效果更佳，中子总计数微结构比平面型多一倍。微结构降低了探测器的自吸收问题，同时增大了探测器的中子接触面积，在热中子探测上应用前景广阔。     

轮胎花纹凹坑非光滑表面对抗滑水性能的影响分析

以205/55R16轿车轮胎为研究对象,采用计算流体动力学(Computational Fluid Dynamic,CFD)的方法对轮胎抗滑水性能进行数值模拟,通过将滑水速度仿真值与滑水经验公式计算值进行对比,验证了滑水分析方法的有效性。为提升轮胎的抗滑水性能,借鉴仿生非光滑减阻理论,在花纹沟槽两侧壁布置矩形排布的凹坑非光滑结构,采用响应面分析方法对凹坑的顶部圆直径、凹坑深度、顺流向凹坑间距和展向凹坑间距4个参数进行寻优,并从流场变化角度揭示了凹坑结构减阻机理。在此基础上,将减阻最优的凹坑结构引入到整胎滑水分析模型中,通过与光滑壁面花纹轮胎抗滑水性能的对比发现,凹坑非光滑表面花纹轮胎可通过降低胎面动水压力实现轮胎抗滑水性能的提升。     

基于SAE模型非光滑表面对气动减阻的影响

以SAE汽车模型为研究对象,采用计算流体力学数值模拟方法研究非光滑表面布置位置对气动性能的影响。通过对SAE汽车模型的不同位置(侧部、底部、顶部、前部、尾部)布置凹坑型非光滑表面,计算SAE汽车模型的空气阻力系数,比较光滑表面与非光滑表面的流线、速度矢量以及压力,分析非光滑表面气动减阻机理和减阻效果差异的原因,根据分析结果得到了合理且能够减阻的汽车非光滑表面布置位置。     

亚临界雷诺数下凹坑圆柱绕流数值模拟分析及减阻性能研究

为研究非光滑圆柱绕流减阻性能,采用SST k-ω湍流模型对亚临界雷诺数R_e=40 000下凹坑圆柱绕流进行数值模拟及减阻性能研究。对凹坑深度、内部形状、分布形式进行了结构参数敏感性分析,研究各参数对凹坑圆柱绕流减阻性能的影响规律。结果表明:凹坑圆柱具有较好的绕流减阻效果;阻力系数、升力系数均随凹坑深度增加呈先减小后增大的变化趋势,且在h=0.015D时,凹坑圆柱绕流具有最佳减阻效果;圆柱形凹坑圆柱平均阻力系数为0.923,球面形凹坑圆柱平均阻力系数为0.94;菱形分布凹坑织构的圆柱绕流阻力系数平均值为0.923,矩形情况为0.973。     

水下航行器减阻技术研究

对多种水下减阻技术进行了总结,包括沟槽面湍流减阻、柔性面法、微气泡法、疏水减阻技术.对疏水表面用于减阻的最新研究进展进行了分析,指出现阶段疏水表面存在的不足以及用于减阻所面临的问题,提出了多种减阻机理相结合的新型减阻方式.     

仿生表面织构参数对血管支架内血流动力学特性影响的仿真分析

为优化支架植入后血管内血流动力学参数分布,改善支架内近壁区的血流特性,降低支架内再狭窄发生率,依据仿生学原理,将血管支架内表面的仿生减阻形貌抽象为三角形和矩形,采用ICEM CFD软件和FLUENT软件建模并仿真分析,在入口血流速度一定时,表面织构参数对血流速度、压强和壁面剪切应力等血流动力学特性的影响。结果表明支架内表面织构化后,血管内的血流特性有了很大改善,不同的织构结构及其尺寸对血流动力学参数分布的影响不同,当尺寸处于(0.025～0.06)mm范围内时,三角形沟槽结构的综合特性优于矩形沟槽结构。该结果对优化血管支架内表面的仿生沟槽结构及其参数具有一定的指导意义。     

梯形沟槽表面对旋成体绕流的影响

采用数值方法模拟了在不同攻角下,梯形微沟槽表面分布在细长旋成体表面不同位置对旋成体附面层流场的影响,并研究了相应情况下旋成体升力阻力的变化情况。结果表明,表面微沟槽结构能有效减小旋成体附近流场低总压区域,从而达到减小飞行阻力并增大升力的效果。而旋成体表面全为沟槽表面并不是最好的减阻方案,仅仅是后1／3表面为沟槽表面时对总阻力的降低效果最明显,而前、后1／3表面同时为沟槽面的方案可以最大程度地降低旋成体黏性摩擦阻力。     

基于自由变形技术的汽车气动减阻优化

针对目前汽车气动减阻中基于工程师经验的试凑法所存在的盲目性和低效性,以及气动优化设计中车身曲面难于参数化等问题,将自由变形(Free form deformation,FFD)技术引入汽车气动减阻优化设计中,为减阻优化设计提供一种快速、有效的参数化方法。当前的研究以某款轿车模型为研究对象,根据优化的拉丁方试验设计构建样本空间,并采用FFD方法对各样本点模型进行参数化;通过CFD仿真获得各样本的气动阻力系数;采用Kriging模型构建近似模型;利用多岛遗传算法求解近似模型的最优值;根据优化结果重新构建最优模型并采用CFD计算其气动阻力系数。计算结果显示优化后轿车模型的气动阻力系数减少了4.09%,表明FFD方法在汽车气动减阻优化中有很好的应用效果。     

尾部减阻装置对厢式货车尾部流场的影响

为了降低某厢式货车的气动阻力,基于气动减阻机理设计了9种新型的尾部气动减阻装置。采用数值模拟的方法研究了尾部气动减阻装置对厢式货车尾部流场的影响,对比分析了安装9种尾部减阻装置的厢式货车的气动阻力系数、速度分布、压力分布及湍动能分布等流场特性,并对两种较好减阻装置的结构参数进行优化。研究结果表明:安装9种尾部减阻装置后整车气动阻力系数均有降低,降幅最大为7.96%,获得了较好的减阻效果。尾部减阻装置主要是通过减弱尾部涡流,增大尾部气压,从而来降低压差阻力。