1、經(jīng)典流體力學和經(jīng)典潤滑力學均認為流體在固體表面上流動時表面流體分子與固體分子的速度絕對相等，即傳統(tǒng)的無滑移邊界假設(shè)。近年來，隨著微納米測試技術(shù)及其相關(guān)領(lǐng)域科學技術(shù)的飛速發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)微納米尺度下的流體間隙流動與宏觀尺度下流體的流動問題有著本質(zhì)區(qū)別，尺度效應突現(xiàn)，“邊界滑移”就是其中最有代表性的一類問題。所謂邊界滑移，指的是固體表面上的流體與固體表面存在相對運動速度。研究表明，在微納米尺度下的邊界滑移對間隙流體的流動特性有著重要甚至是決定

2、性的影響。目前有關(guān)邊界滑移問題的研究主要集中于發(fā)現(xiàn)邊界滑移現(xiàn)象和探索滑移的內(nèi)在機理以及各因素對邊界滑移的影響規(guī)律，包括試驗研究和分子動力學模擬，而有關(guān)邊界滑移對流體系統(tǒng)流體動力學行為影響的數(shù)值分析則相對較少。微納米間隙流動邊界滑移及其流體動力學研究中主要存在兩方面的問題：一是目前最常用的線性滑移長度模型認為邊界滑移總是存在的，并且邊界滑移速度與剪切率成正比，但是許多實驗發(fā)現(xiàn)在低剪切率下沒有滑移，而在高剪切率下滑移呈很強的非線性行為，即線

3、性滑移長度模型常常不能準確描述流體(液體)流動的邊界滑移；二是采用極限剪應力滑移模型時，由于流體在邊界上的滑移速度和方向都是未知的，導致數(shù)值求解上的困難，傳統(tǒng)的基于有限差分方法的迭代求解技術(shù)計算量太大而且收斂性較差，尤其在二維流動問題中該方法基本不可行。針對上述問題，本文展開了以下幾個方面的研究。 基于流變學中的極限剪應力模型，結(jié)合參變量變分原理及其有限元參數(shù)二次規(guī)劃方法，本文首次給出了求解球形擠壓膜流動邊界滑移問題的數(shù)值方法，

4、為此類邊界滑移問題的計算與分析提供了新方法。此外，通過對數(shù)值計算結(jié)果的分析，本文提出了當上下表面具有相同滑移性質(zhì)時球形擠壓膜流體動壓承載力的擬合公式，為邊界滑移的間接實驗測量提供了有力的理論分析工具。通過數(shù)值計算結(jié)果與相關(guān)實驗數(shù)據(jù)之間的定量比較和分析發(fā)現(xiàn)，極限剪應力滑移模型的理論預報值與實驗測量值吻合很好，尤其在高剪切率時。一方面說明極限剪應力滑移模型可以用來準確描述間隙流動的邊界滑移，另一方面也說明基于極限剪應力滑移模型的參變量變分原

5、理及其有限元參數(shù)二次規(guī)劃方法可以有效求解邊界滑移問題，該方法計算效率高、收斂性好。此外，數(shù)值計算還表明邊界滑移使擠壓膜的流體動壓力減小，而且固體表面的滑移性質(zhì)對擠壓膜的流體動壓特性有著重要影響。當上下表面同時發(fā)生大面積的邊界滑移時，擠壓膜可能完全失去流體動壓承載力，但若其中一個表面不發(fā)生邊界滑移，則即使另一表面發(fā)生理想滑移(表面極限剪應力等于零)，擠壓膜也仍能保持一定的承載力，且恰為無滑移時擠壓膜承載力的四分之一。 通過對Tro

6、ian等的分子動力學模擬結(jié)果的考察，本文提出了一種包含線性滑移長度模型和極限剪應力滑移模型的非線性滑移模型，從而彌補了前者在高剪切率時的不足和后者在低剪切率時對微小邊界滑移的忽略。在小剪切率時，該模型認為滑移長度為常數(shù)，與線性滑移模型一致。而在高剪切率時，該模型則和極限剪應力模型一致?；谠摲蔷€性模型，對平行板剪切流和擠壓膜流動的邊界滑移問題進行了數(shù)值分析并與他人實驗數(shù)據(jù)進行了比較，發(fā)現(xiàn)理論預報與實驗吻合很好。 利用極限剪應力滑

7、移模型和相應的參變量變分原理及其有限元參數(shù)二次規(guī)劃技術(shù)，本文對各種一維間隙流動(與各種液體滑動軸承相對應，其典型間隙厚度在微米量級)的邊界滑移及其流體動力學進行了數(shù)值分析。研究發(fā)現(xiàn)，當同一固體表面滑移性質(zhì)處處相同時，邊界滑移使流體系統(tǒng)的流體動壓效應減小，而且與哪個表面發(fā)生運動有關(guān)。在運動的固體表面發(fā)生大面積邊界滑移時，或運動和靜止固體表面(兩表面具有相同滑移性質(zhì))同時發(fā)生大面積滑移時，流體系統(tǒng)的流體動壓效應劇減或完全消失。而間隙厚度減小

8、、剪切率增加、流體粘性增加以及表面極限剪應力(其大小與表面的材料和液體的種類等有關(guān))的減小均會使邊界滑移容易發(fā)生或者使邊界滑移加劇，這就從邊界滑移的角度解釋了為何在高速、窄隙(重載)以及軸承兩表面為同種材料時軸承更容易失效，也解釋了為何不同材料的軸承會有不同的極限轉(zhuǎn)速(高于該轉(zhuǎn)速軸承會失效)。計算分析還發(fā)現(xiàn)，邊界滑移在大滑滾比時更容易使滑滾間隙流動系統(tǒng)(滾柱軸承、金屬軋制潤滑系統(tǒng)等屬于此類間隙)的流體動壓承載力減小，而且在純滑動時系統(tǒng)可

9、能完全喪失承載力，但純滾動時則不會完全喪失承載力，這解釋了實際當中軸承為何在純滑動時比純滾動時更容易發(fā)生破壞。 當靜止固體表面具有不同滑移性質(zhì)(復合滑移表面)時，邊界滑移對系統(tǒng)的流體動力學影響較為復雜，與表面滑移區(qū)域的位置、尺寸、極限剪應力大小以及間隙幾何等參數(shù)有關(guān)，但滑移區(qū)域內(nèi)邊界滑移越嚴重，系統(tǒng)的流體動力學效應反而越好。以滑塊軸承和軸頸軸承為例，通過簡單的優(yōu)化計算，不僅從理論上發(fā)現(xiàn)了“復合滑移軸承系統(tǒng)”(具有復合滑移表面的軸

10、承系統(tǒng))比傳統(tǒng)無滑移軸承具有更高的流體動壓承載能力和更低的表面摩擦系數(shù)，而且發(fā)現(xiàn)平行或發(fā)散間隙時系統(tǒng)仍能獲得相當高的流體動壓承載力，這打破了經(jīng)典無滑移理論認為只有收斂間隙才能獲得流體動壓承載力的觀點，為新型軸承系統(tǒng)的設(shè)計與制造提供了新思路。 采用極限剪應力滑移模型求解二維間隙流動邊界滑移問題時，由于邊界滑移的大小和方向都事先未知，使求解變得更加困難。本文提出了分段線性化方法來逼近系統(tǒng)的非線性滑移控制函數(shù)，然后結(jié)合相應的參變量變分

11、原理和有限元參數(shù)二次規(guī)劃方法，提出了新的二維間隙流動邊界滑移問題的數(shù)值計算方法。通過數(shù)值分析，討論了在控制方程的線性化技術(shù)中所采用的正多邊形的邊數(shù)、多邊形種類以及有限單元數(shù)目對求解精度的影響，數(shù)值算例表明，該方法計算效率高、精度好。使用該方法，對二維間隙流動邊界滑移問題及其流體動力學進行了數(shù)值分析，發(fā)現(xiàn)當靜止固體表面具有復合滑移性質(zhì)時系統(tǒng)的流體動力學效應較好。進一步的分析還發(fā)現(xiàn)，二維復合滑移滑塊軸承在靜止固體表面滑移區(qū)為梯形且間隙大致平

12、行時獲得最大流體動壓承載力，最大流體動壓承載力是傳統(tǒng)無滑移軸承最大承載力的約 2.5 倍，而表面摩擦系數(shù)則降低了50％以上。通過對復合滑移轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)的動力學分析發(fā)現(xiàn)，與無滑移轉(zhuǎn)子系統(tǒng)相比，復合邊界滑移轉(zhuǎn)子系統(tǒng)不僅可以使系統(tǒng)具有更高的承載力和更低的摩擦系數(shù)，而且能夠提高轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)穩(wěn)定性，并且從理論上發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)會由于復合邊界滑移的存在具有一種自我穩(wěn)定運轉(zhuǎn)的功能。這個發(fā)現(xiàn)或許有助于我們探索高性能、高運轉(zhuǎn)穩(wěn)定性的新型結(jié)構(gòu)。但是對于靜止表面

13、滑移性質(zhì)處處相同的轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)而言，邊界滑移則會使系統(tǒng)的動力學穩(wěn)定性降低。 最后在第九章介紹了作者在博士論文前期工作中開展的關(guān)于高溫(900℃)強磁場處理技術(shù)改善鎳鋁合金力學性能的工作。盡管這部分工作相對獨立，但由于工作比較新穎，挑戰(zhàn)性和開拓性并存，我們還是簡單介紹給讀者，以期獲得有益的討論并在以后繼續(xù)深入研究。本文發(fā)現(xiàn)利用強磁場處理技術(shù)使得鎳鋁合金的室溫力學性能獲得大幅度改善，與未經(jīng)磁場處理的同種合金相比，抗彎強度提高～75

14、％，拉伸和壓縮強度都提高一倍以上，而且試件的斷口形貌分析表明，強磁場處理改變了鎳鋁合金的室溫斷裂方式，使合金呈現(xiàn)韌性斷裂特征。 總之，本文首先提出和發(fā)展了極限剪應力滑移模型和非線性滑移模型用于描述邊界滑移問題，并與目前較常用的線性滑移長度模型和相關(guān)實驗數(shù)據(jù)進行了比較，發(fā)現(xiàn)前兩者的適用范圍遠大于后者；其次本文成功解決了二維間隙流動問題的系統(tǒng)方程非線性求解困難；最后本文對間隙流動的邊界滑移及其流體動力學分析揭示了許多以前未曾知曉的物