마이크로 텍스처 어레이의 캐비테이션 효과 연구

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 13455(2022) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

본 논문에서는 수치 시뮬레이션과 실험을 통해 표면 질감 매개변수와 분포 패턴을 연구합니다. 먼저, 캐비테이션 효과가 있는 3차원 마이크로 텍스처 CFD 유체 윤활 모델이 확립되고, 유막의 베어링 용량, 마찰 계수 및 압력 분포에 대한 다양한 분포 모드의 영향을 연구하기 위해 다양한 텍스처 배열이 설계되었습니다. 그런 다음 시뮬레이션 결과는 시각화된 평면 슬라이더 실험 플랫폼과 마이크로 텍스처 배열의 캐비테이션 기포 형성 규칙, 표면 형상의 영향 및 마이크로 텍스처의 다양한 분포 모드를 통해 추가로 분석 및 검증됩니다. 캐비테이션 기포 배열에 대해 논의합니다. 결과는 캐비테이션의 존재가 마이크로텍스처가 유막의 지지력을 증가시키는 주요 이유 중 하나임을 보여 주며, 이는 시뮬레이션 연구에서 무시할 수 없습니다. 단일 대칭 방향의 텍스처 배열은 유막 지지력을 향상시키는 데 가장 적합하며 텍스처 경사각이 26.6°일 때 베어링 성능이 가장 좋습니다. 비대칭 방향의 텍스처 배열의 마찰 계수는 마찰 계수보다 29.4% 낮습니다. 질감이 없는 샘플. 실험 결과는 시뮬레이션과 일치합니다.

일반적으로 특정 처리 기술을 사용하여 마찰 쌍의 표면에 특정 크기, 모양 및 배열로 미세 구조를 준비하는 표면 텍스처링을 적용하여 기계 부품의 유체 역학적 윤활 성능을 향상시킬 수 있습니다1. 합리적인 설계를 갖춘 표면 질감은 상당한 개선을 제공할 수 있습니다. 유체 윤활 조건에서 질감으로 인한 캐비테이션 효과2,3,4는 마찰 쌍의 지지력5,6을 크게 증가시킬 수 있습니다. 따라서 텍스처로 인한 캐비테이션 효과에 대한 이론적, 실험적 연구는 기계 부품의 윤활성을 향상시키고 에너지 소비를 줄이는 데 매우 중요합니다.

마이크로텍스처의 기하학적 매개변수는 표면 텍스처의 유체역학적 윤활 성능에 영향을 미치는 주요 요소입니다. 기하학적 매개변수를 적절하게 설계하면 텍스처 표면이 최적의 윤활 및 마찰 감소 성능을 발휘할 수 있습니다11,12. Wang et al.13은 반응성 이온 에칭을 통해 스러스트 베어링 표면에 원형 마이크로 텍스처를 제작하고 물 윤활 조건에서 다양한 크기, 깊이 및 밀도를 갖는 마이크로피트의 하중 전달 능력에 대한 일련의 실험적 연구를 수행했습니다. Yu 등14은 다양한 딤플 모양(원형, 삼각형, 타원형)과 텍스처 배열 방향이 압력 분포에 미치는 영향을 조사했습니다. Nanbu et al.15는 크레이터의 바닥 표면 지형 최적화에 중점을 두었습니다. Wang et al.16은 다양한 분포 모드를 사용하여 SiC 표면의 표면 질감을 설계했으며, 결과는 혼합된 질감이 단일 크기의 질감보다 SiC 세라믹의 내하력을 더 향상시킬 수 있음을 보여줍니다. Shen et al.17은 SQP 알고리즘을 기반으로 한 수치적 텍스처 최적화 방법을 제안했습니다.

수치 시뮬레이션 연구 측면에서 Siripuram과 Stephens18은 다양한 모양의 분화구와 볼록한 몸체 조직에 대한 수치 분석을 수행했습니다. Caramia et al.19는 마이크로룸에 대한 Reynolds 방정식과 NS 방정식의 마이크로 텍스처 표면 윤활 성능 분석을 각각 해결했으며, 이에 비해 관성력이 마이크로룸의 동압 효과에 중요한 영향을 미치며 이는 Liu 등20은 비대칭 미세조직의 2차원 모델을 확립하고 유체 압력 분포, 유동장 형태, 상부 벽 지지력 및 마찰계수에 대한 텍스처의 출구 경사각의 영향을 연구했습니다. 질감이 있는 영역. Jiang et al.21은 ANSYS Fluent를 사용하여 타원형 직기를 갖춘 기계식 씰의 3차원 유동장의 수치 모델을 확립했습니다. 현재 컴퓨터 성능의 향상과 NS 방정식을 기반으로 한 상용 CFD 코드의 인기로 인해 NS 방정식을 푸는 어려움이 크게 줄어들었습니다22. 따라서 캐비테이션 효과를 고려한 직조 윤활 모델을 해결하기 위해 NS 방정식을 사용하는 것이 불가피한 추세가 되었습니다.