基于Boltzmann方法的摩擦副表面织构的优化设计

摘要

表面织构技术是在摩擦副表面加工出具有一定规则排列的凹坑或微小沟槽等,进而达到改变摩擦副摩擦学性能的一种物理加工技术。格子Boltzmann方法是近几十年新近发展起来的对流体流动模拟的计算方法,由于其计算简单、边界处理容易、编程简单容易实现以及其天生的并行性等诸多优点得到人们广泛的研究,已经成为模拟复杂物理运动的重要的研究方法。本文运用格子Boltzmann方法来模拟分析特定表面织构对摩擦副摩擦学性能的影响,并对模拟结果进行了理论分析。
　　 论文首先介绍了表面织构技术及其研究现状,以及数值模拟技术在实验分析中的重要意义,并对格子Boltzmann方法的发展及其应用做了简单的回顾,说明其应用前景。第二章中介绍格子Boltzmann方法的原理及拟采用的D2Q9模型,并对D2Q9模型作了详细的介绍,同时提出了对边界上的力的求法。第三章详细介绍了格子Boltzmann方法的边界处理,并分析了各种处理的优缺点。其中重点介绍了本文采用的非平衡外推格式。并详细说明了其程序结构。
　　 对于模型的建立首先从牛顿流体入手,采用D2Q9离散速度模型.建立了两个平板摩擦副模型之间的格子Bolzmann方法模型,边界处理采用的是非平衡外推格式处理,编写出了模拟的计算程序。计算结果符合牛顿流体的运动规律,说明此方法模拟正确。接着模拟出二维方槽、三角形槽及梯形槽的织构表面的流动,计算出不同雷诺数的情况下的上述流线图.以便清晰显出其流动的变化;并计算出沿固体壁面的摩擦阻力系数的变化,同时给出阻力系数变化的对比图。
　　 通过对不同形状不同因素条件下摩擦阻力系数的变化的分析,找出了影响阻力系数变化的条件,进而优化,以得到表面织构的形状、深度、表面开口宽度等影响表面阻力系数的条件的最优解。对上述各种形状及条件下流线图的变化及阻力系数的变化均给出了详细的对比图及计算结果数据。最后分析了本文研究的不足并做了展望。