Fractal Network Model for Contact Conductance

分形 分形维数 热传导 曲面(拓扑) 表面光洁度 电导 表面粗糙度 材料科学 指数 几何学 机械 数学 物理 凝聚态物理 数学分析 复合材料 语言学 哲学
作者
Arun Majumdar,C. L. Tien
出处
期刊:Journal of heat transfer [ASM International]
卷期号:113 (3): 516-525 被引量:158
标识
DOI:10.1115/1.2910594
摘要

The topography of rough surfaces strongly influences the conduction of heat and electricity between two surfaces in contact. Roughness measurements on a variety of surfaces have shown that their structure follows a fractal geometry whereby similar images of the surface appear under repeated magnification. Such a structure is characterized by the fractal dimension D, which lies between 2 and 3 for a surface and between 1 and 2 for a surface profile. This paper uses the fractal characterization of surface roughness to develop a new network model for analyzing heat conduction between two contacting rough surfaces. The analysis yields the simple result that the contact conductance h and the real area of contact At are related as h ~ AtD/2 where D is the fractal dimension of the surface profile. Contact mechanics of fractal surfaces has shown that At varies with the load F as At ~ Fη where η ranges from 1 to 1.33 depending on the value of D. This proves that the conductance and load are related as h ~ FηD/2 and resolves the anomaly in previous investigations, which theoretically and experimentally obtained different values for the load exponent. The analytical results agreed well with previous experiments although there is a tendency for overprediction.
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