流體減震器有著廣泛的應(yīng)用，從穩(wěn)固摩天大樓到控制微流體裝置中流體的流動均有涉及。通過一個稱為粘性耗散熱的過程，減震器將機械能消散為熱能。熱量過多會損壞減震器，因此在優(yōu)化流體減震器的設(shè)計時，充分理解粘性耗散熱的過程非常重要。

流體減震器是什么？

流體減震器（也稱為粘性減震器）在工業(yè)方面有許多應(yīng)用。例如用于軍事設(shè)備的震動隔離，以及高層建筑和土木結(jié)構(gòu)的地震減震和強風阻尼。甚至有些微流體裝置要依靠流體減震器來產(chǎn)生熱量及控制流體流動。

流體減震器（深藍色部件）用于穩(wěn)定太陽能跟蹤裝置。圖片由 Leonard G 提供，通過 Wikimedia Commons 共享。

粘性耗散熱 – 平衡之道

高粘度流體（例如油或硅基流體）常用于減震器中，這是因為流體的粘度越高，減震器耗散的力就越大。當流體減震器推動粘性流體在兩個腔室之間往復運動時，減震器內(nèi)就會釋放粘性耗散熱。這種作用以振動或振蕩的形式將機械能轉(zhuǎn)換為熱能。

要優(yōu)化流體減震器的工作效率，分析其中的粘性耗散熱尤為重要。如果減震器中釋放的熱量過多，就會損壞減震器和要保護的裝置或結(jié)構(gòu)。讓我們將目光轉(zhuǎn)向 COMSOL Multiphysics 仿真平臺中的傳熱模塊和 CFD 模塊，研究流體減震器的性能。

使用 COMSOL Multiphysics 模擬粘性耗散熱

流體減震器的主要組件包括減震器汽缸殼、活塞桿和活塞頭、腔室中的粘性流體、以及活塞頭和汽缸殼內(nèi)壁之間狹小的圓形空間。這個空間用作流體通道。在我們的模擬中，這些固體部件由鋼質(zhì)材料制成，COMSOL Multiphysics 內(nèi)置的材料庫中我們可以找到這種材料。

流體減震器示意圖。

在這個仿真模型中，活塞頭在氣缸內(nèi)部往復運動，使流體和硅油以較大的剪切速率通過小孔。這種作用產(chǎn)生的熱量在軸向和徑向上傳輸。在徑向上，熱量經(jīng)汽缸壁傳導并通過對流傳到外部空氣中。

我們求解 Navier-Stokes 方程來描述減震器中的流體流動。此能量方程給出了粘性耗散熱過程中產(chǎn)生的溫度場。這些方程可以在 COMSOL Multiphysics 的非等溫流接口和共軛傳熱接口中找到。

仿真結(jié)果顯示了減震器內(nèi)的溫度：

探針溫度與時間的關(guān)系函數(shù)（左圖）以及加載 10 秒（藍色曲線）和 40 秒（綠色曲線）后的內(nèi)壁溫度（右圖）。

上述結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)非常吻合。通過仿真軟件，我們可以有效地分析流體減震器中的粘性耗散熱，從而優(yōu)化各行各業(yè)中結(jié)構(gòu)和設(shè)備的設(shè)計，使其更安全更有效。