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仿生多尺度复合织构化表面流体动力润滑性能的数值模拟

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海水液压传动系统在环保、节能、不易燃等多重优势促进了其在水下机器人、潜水浮力调节、海底资源钻探等领域的广泛应用。海水润滑轴向柱塞泵是海水液压传动系统中不可缺少的动力元件。由于海水粘度低、润滑性差等因素，柱塞泵的摩擦组件易发生磨损失效。为改善海水润滑条件下轴向柱塞泵摩擦副的摩擦学性能，本研究以毛蚶和蛤蜊为仿生对象，设计了6种不同深度的多尺度复合表面织构，建立了具有不同几何参数的仿生表面织构计算模型。基于纳维-斯托克斯 (N-S)方程，采用计算流体动力学(CFD)方法，系统研究了织构几何参数和工况对织构化表面流体动力润滑性能的影响。结果表明：

1. 在所有形状中，沟槽复合表面织构的润滑性能优于波状组合，其中沟槽-圆形 复合织构的摩擦性能最好，波浪-方形复合织构的摩擦性能最差。6种仿生织构化表面的润滑性能均优于圆形织构化表面和光滑表面。


2. 对于相同数量的织构单元，水膜承载力随织构宽度的增加而增加，摩擦系数则呈相反的趋势。但这并不意味着织构宽度越大，摩擦学性能越好，宽度的增加对织构表面润滑特性的改善是有限的。在本研究中，宽度为400 μm的织构表现出优异的摩擦学性能。


3. 随着织构密度的增加，水膜承载力逐渐增大。其中，沟槽-椭圆(GE)和波浪-椭圆(WE)复合织构更适合高密度(超过25.82%)；对于波浪组合，波浪-方形(WS)复合织构更适合低密度条件(小于14.46%)；圆形组合适用的密度范围更广。


4. 最佳织构深度与密度密切相关。六种形状的表面织构在不同密度下均表现出不同的最佳深度。此外，织构的直径和密度越大，最佳织构深度越深。织构密度为18.08%、18.22%和19.56%时的最佳织构深度分别为150-80 μm、150-130 μm和200-180 μm。


5. 对于不同的工况条件，随着膜厚的增加，水膜承载能力逐渐减小，摩擦系数逐渐增大。然而，织构化表面的承载能力随转速的增加近似线性增加。转速的增加对润滑特性较差的织构表面有积极的影响；转速对水膜承载能力的影响与织构形状和深度关系不大。