基于光干涉技術的球-盤近壁面流體速度試驗測量方法技術

本發明專利技術提供一種基于光干涉技術的球?盤近壁面流體速度試驗測量方法，該方法具體步驟為調節圓盤使其達到水平位置；在鋼球表面涂膜，在涂膜后的鋼球表面涂抹潤滑油液，將涂抹潤滑油液后的鋼球置于距離圓盤中心半徑為R處的圓盤底部，同時對鋼球施加垂直于圓盤平面的固定載荷F；利用顯微鏡找到鋼球與圓盤接觸區的圖像，以第0級暗紋中心位置為原點建立坐標系，獲得膜厚和條紋級的關系式，根據Dowson?Higginson中心膜厚公式，獲得計算流體的卷吸速度U；再根據和U1＝ωR，獲得鋼體表面的流體速度U2；本發明專利技術能夠適用于各種表面的流體速度測量。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于流體力學
，具體涉及基于光干涉技術的球-盤近壁面流體速度試驗測量方法。
技術介紹
準確確定近壁面流體的運動速度對于流體動力潤滑特性的精確分析有著重要意義。根據流體潤滑理論，流體動壓力潤滑的基礎是流體質量守恒，而在計算流體質量時，通常采用壁面-流體無滑移假設，認為近壁面流體的速度等于固體壁面的速度，從而獲得流體質量。但實際上，由于固體對流體的吸附力有限，近壁面流體的速度很難與固體壁面速度一致，其間總是存在一定的速度差異，而且該速度差異還受工作速度、壓力、溫度以及表面粗糙度等因素的影響，影響規律非常復雜，因此準確確定近壁面流體速度成為流體潤滑領域的研究難點。當前，國際上固體表面流體速度的測量方法主要有熒光恢復技術(FRAP)。熒光恢復技術記錄熒光粒子通過固體表面一定區域內的熒光強度變化，根據光強與時間的關系，可以得到光強由零變化至最大所用的時間應等于粒子通過該區域的時間，當該區域沿粒子運動方向的長度已知，那么可獲得該區域內粒子的速度。此處獲得的速度是該區域的平均速度，由于該區域的寬度很小，認為平均速度近似等于表面流體的速度。但是，由于FRAP技術中設備成本昂貴，影響到該技術的推廣，同時，受限于實驗條件，目前該實驗技術所測得剪應變率范圍仍較低。
技術實現思路
有鑒于此，本專利技術提供了基于光干涉技術的球-盤近壁面流體速度試驗測量方法，能夠適用于各種表面的流體速度測量。實現本專利技術的具體方案如下：基于光干涉技術的球-盤近壁面流體速度試驗測量方法，具體步驟如下：第一步：調節透明圓盤使其達到水平位置；第二步，在鋼球表面涂膜，在涂膜后的鋼球表面涂抹潤滑油液，將涂抹潤滑油液后的鋼球置于距離透明圓盤中心半徑為R處的透明圓盤底部，同時對鋼球施加垂直于透明圓盤平面的固定載荷F；第三步，利用顯微鏡找到鋼球與透明圓盤接觸區的圖像，將該圖像放大獲得清晰的干涉條紋圖像，并將干涉條紋圖像移至視野正中央，固定顯微鏡；第四步，通過顯微鏡利用CCD拍攝透明圓盤干涉條紋圖像，編號記為0；對所述干涉條紋圖像由圓心向外排列級次，最內部記為第0級暗條紋，其后依次序定義第0級明條紋，第1級暗條紋，第1級明條紋……，第V級暗條紋，第V級明條紋；根據光干涉原理，將第0級暗條紋對應的區域定義為球-盤直接接觸區域；第五步，以第0級暗條紋中心位置為原點建立坐標系，根據光干涉原理，計算第T級明條紋內各級條紋對應的膜厚，獲得膜厚和條紋級的關系式，并根據該關系式繪制膜厚曲線，得到接觸區中心位置處的膜厚數值hc0；第六步，驅動透明圓盤以固定的角速度ω轉動，并向球-盤接觸位置噴射潤滑油液，使油液噴射方向與透明圓盤轉動方向一致，形成穩定的潤滑油膜；第七步，重復步驟四，記錄Q幀接觸區域的干涉圖像；并對所采集的干涉圖像按時間順序進行編號，編號標記為1，……，Q；第八步，在Q幀干涉圖像選擇Z幀干涉圖像，再依次編號為1～Z，Z∈[1,Q]重復步驟五，根據光干涉原理，獲得1～Z圖像接觸區域的中心膜厚數值，記為hc1，……，hcZ；計算平均值hc，并將hc作為中心膜厚數值； h c = h c 1 + ... + h c Z Z ]]>第九步，基于步驟五和八，獲得球-盤接觸中心實際膜厚數值Δh＝hc-hc0，根據Dowson-Higginson中心膜厚公式，獲得計算流體的卷吸速度U；第十步，基于步驟九獲得的U，根據公式和U1＝ωR，獲得鋼體表面的流體速度U2，其中，U1為透明圓盤表面流體速度。進一步地，所述Q取100。進一步地，所述T取3。進一步地，步驟九的計算過程為：Dowson-Higginson中心膜厚公式：Δh＝11.9α0.4(η0U)0.74E'-0.14R′0.46W-0.2(1)其中，α為Barus粘壓系數；η0為潤滑油環境粘度；U為卷吸速度；E′為當量彈性模量，W為單位長度上載荷，W＝F/d，d為第0級暗條紋對應區域的直徑；當量彈性模量E′的關系式為 1 E ′ = 1 2 ( 1 - v 1 2 E 1 + 1 - v 2 2 E 2 ) - - - ( 2 ) ]]>其中，E1、v1是鋼球的彈性模量與泊松比，E2、v2是透明圓盤的彈性模量與泊松比；當量曲率半徑R′的計算表達式為： 1 R ′ = 1 R 1 + 1 R 2 - - - ( 3 ) ]]>其中，R1、R2分別為鋼球與透明圓盤的曲率半徑；將公式(2)和(3)代入(1)中，獲得U。進一步地，所述α＝0.6。進一步地，步驟1的具體步驟如下：2.1在透明圓盤上劃分E個扇形區域，在對應的區域中距離透明圓盤圓心距離相等處均勻布置E個螺釘，并擰緊螺釘，固定透明圓盤，在透明圓盤的邊緣取一基點，記為A，將測量跳動量的儀器的探針置于透明圓盤的A基點上，以角速度為S轉動透明本文檔來自技高網...

【技術保護點】
基于光干涉技術的球?盤近壁面流體速度試驗測量方法，其特征在于，具體步驟如下：第一步：調節透明圓盤使其達到水平位置；第二步，在鋼球表面涂膜，在涂膜后的鋼球表面涂抹潤滑油液，將涂抹潤滑油液后的鋼球置于距離透明圓盤中心半徑為R處的透明圓盤底部，同時對鋼球施加垂直于透明圓盤平面的固定載荷F；第三步，利用顯微鏡找到鋼球與透明圓盤接觸區的圖像，將該圖像放大獲得清晰的干涉條紋圖像，并將干涉條紋圖像移至視野正中央，固定顯微鏡；第四步，通過顯微鏡利用CCD拍攝透明圓盤干涉條紋圖像，編號記為0；對所述干涉條紋圖像由圓心向外排列級次，最內部記為第0級暗條紋，其后依次序定義第0級明條紋，第1級暗條紋，第1級明條紋……，第V級暗條紋，第V級明條紋；根據光干涉原理，將第0級暗條紋對應的區域定義為球?盤直接接觸區域；第五步，以第0級暗條紋中心位置為原點建立坐標系，根據光干涉原理，計算第T級明條紋內各級條紋對應的膜厚，獲得膜厚和條紋級的關系式，并根據該關系式繪制膜厚曲線，得到接觸區中心位置處的膜厚數值hc0；第六步，驅動透明圓盤以固定的角速度ω轉動，并向球?盤接觸位置噴射潤滑油液，使油液噴射方向與透明圓盤轉動方向一致，形成穩定的潤滑油膜；第七步，重復步驟四，記錄Q幀接觸區域的干涉圖像；并對所采集的干涉圖像按時間順序進行編號，編號標記為1，……，Q；第八步，在Q幀干涉圖像選擇Z幀干涉圖像，再依次編號為1～Z，Z∈[1,Q]重復步驟五，根據光干涉原理，獲得1～Z圖像接觸區域的中心膜厚數值，記為hc1，……，hcZ；計算平均值hc，并將hc作為中心膜厚數值；hc=hc1+...+hcZZ]]>第九步，基于步驟五和八，獲得球?盤接觸中心實際膜厚數值Δh＝hc?hc0，根據Dowson?Higginson中心膜厚公式，獲得計算流體的卷吸速度U；第十步，基于步驟九獲得的U，根據公式和U1＝ωR，獲得鋼體表面的流體速度U2，其中，U1為透明圓盤表面流體速度。...

【技術特征摘要】
1.基于光干涉技術的球-盤近壁面流體速度試驗測量方法，其特征在于，具
體步驟如下：
第一步：調節透明圓盤使其達到水平位置；
第二步，在鋼球表面涂膜，在涂膜后的鋼球表面涂抹潤滑油液，將涂抹潤
滑油液后的鋼球置于距離透明圓盤中心半徑為R處的透明圓盤底部，同時對鋼
球施加垂直于透明圓盤平面的固定載荷F；
第三步，利用顯微鏡找到鋼球與透明圓盤接觸區的圖像，將該圖像放大獲
得清晰的干涉條紋圖像，并將干涉條紋圖像移至視野正中央，固定顯微鏡；
第四步，通過顯微鏡利用CCD拍攝透明圓盤干涉條紋圖像，編號記為0；
對所述干涉條紋圖像由圓心向外排列級次，最內部記為第0級暗條紋，其后依
次序定義第0級明條紋，第1級暗條紋，第1級明條紋……，第V級暗條紋，
第V級明條紋；根據光干涉原理，將第0級暗條紋對應的區域定義為球-盤直接
接觸區域；
第五步，以第0級暗條紋中心位置為原點建立坐標系，根據光干涉原理，
計算第T級明條紋內各級條紋對應的膜厚，獲得膜厚和條紋級的關系式，并根
據該關系式繪制膜厚曲線，得到接觸區中心位置處的膜厚數值hc0；
第六步，驅動透明圓盤以固定的角速度ω轉動，并向球-盤接觸位置噴射潤
滑油液，使油液噴射方向與透明圓盤轉動方向一致，形成穩定的潤滑油膜；
第七步，重復步驟四，記錄Q幀接觸區域的干涉圖像；并對所采集的干涉
圖像按時間順序進行編號，編號標記為1，……，Q；
第八步，在Q幀干涉圖像選擇Z幀干涉圖像，再依次編號為1～Z，Z∈[1,Q]
重復步驟五，根據光干涉原理，獲得1～Z圖像接觸區域的中心膜厚數值，記為
hc1，……，hcZ；計算平均值hc，并將hc作為中心膜厚數值；
h c = h c 1 + ... + h c Z Z ]]>第九步，基于步驟五和八，獲得球-盤接觸中心實際膜厚數值Δh＝hc-hc0，根
據Dowson-Higginson中心膜厚公式，獲得計算流體的卷吸速度U；
第十步，基于步驟九獲得的U，根據公式和U1＝ωR，獲得鋼體表
面的流體速度U2，其中，U1為透明圓盤表面流體速度。
2.如權利要求1所述的基于光干涉技術的球-盤近壁面流體速度試驗測量
方法，其特征在于，所述Q取100。
3.如權利要求1所述的基于光干涉技術的球-盤近壁面流體速度試驗測量方
法，其特征在于，所述T取3。
4.如權利要求1所述的基于光干涉技術的球-盤近壁面流體速度試驗測量方
法，其特征在于，步驟九的計算過程為：
Dowson-Higginson中心膜厚公式：
Δh＝11.9α0.4(η0U)0.74E'-0.14R′0.46W-0.2(1)
其中，α為Barus粘壓系數；η0為潤滑油環境粘度；U為卷吸速度；E′為當
量彈性模量，W為單位長度上載荷，W＝F/d，d為第0級暗條紋對應區域的直
徑；
當量彈性模量E′的關系式為
1 E ′ = 1 2 ( ...

【專利技術屬性】
技術研發人員：魏超，趙欣，李艷齊，
申請(專利權)人：北京理工大學，
類型：發明
國別省市：北京;11