基於表面拓撲結構和浸潤性的流動減阻機理研究

《基於表面拓撲結構和浸潤性的流動減阻機理研究》是依託清華大學，由姚朝暉擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：基於表面拓撲結構和浸潤性的流動減阻機理研究
• 依託單位：清華大學
• 項目負責人：姚朝暉
• 項目類別：面上項目

項目摘要

本項目是研究表面拓撲結構和表面浸潤性對流動減阻的影響及機理探討，近些年來由於其潛在的各方面優點，相關流動減阻技術受到越來越多的關注。但是，目前的研究多局限於一級結構超疏水表面的壓力驅動流的層流減阻。本項目計畫從實驗和計算兩方面同時開展，進行一級/多級微納結構的不同表面拓撲結構和不同表面浸潤性的湍流流動減阻研究。在實驗研究中採用PIV和Micro-PIV等技術對近壁區流場進行精細測量，分析表面拓撲結構和浸潤性對雷諾應力項和湍流強度等參數的影響，揭示湍流減阻的機理。並進行流動驅動方式對流動減阻效果的研究，揭示剪下驅動流導致的超疏水表面流動增阻現象產生的機理。在計算研究中，開發既可有效模擬氣液界面又能確保在壓力驅動流中維持液體密度不變的改進LBGK方法，進行表面拓撲結構與表面浸潤性等參數對表面滑移長度和氣液界面形狀影響的研究。此外，將最佳化算法與LBGK方法相結合，進行微納尺寸參數的合理配比研究。

結題摘要

本項基金“基於表面拓撲和浸潤性的流動減阻機理研究”在過去的4年中，探討了若干種不同微納二級結構超疏水表面的製備方法，製備了若干種不同表面拓撲結構和浸潤性的微納二級表面，通過液滴在其表面上的表觀接觸角和滾動角測量，確定了其表面浸潤特徵。然後將疏水性好的微納二級超疏水表面用於內外流動減阻研究，通過精細的PIV實驗和流動阻力實驗，發現在實驗工況下，在氣膜保持的情況下，超疏水表面相對於普通平表面均有一定的減阻效果，且湍流減阻率要大於層流減阻率，最大的湍流減阻率可達53%。研究發現這是由於表面滑移引起的摩擦阻力的減少和雷諾應力減少共同作用的結果，且在實驗工況下隨著雷諾數的增加，雷諾應力減少占的比分越來越大。此外超疏水表面上方的渦強度和數量在近壁區大大減弱，渦的位置也發生了變化：渦向遠離壁面的方向發生了移動。採用泰勒凍結假設和條帶識別統計算法進行相干結構分析，研究發現，超疏水表面對其上方相干結構的作用可分為兩部分來看：在近壁區域，超疏水表面通過引入速度滑移使得其上方的低速條帶強度減弱且抬升角減小，更為穩定不易破碎；在外區，超疏水表面上方條帶最不穩定的狀態與普通表面相比沿遠離壁面方向上移，這使得發卡渦頭部附近的下掃事件距壁面更遠，對壁面摩擦貢獻減弱。相對於普通平表面，超疏水表面近壁區大尺度渦結構減弱、上移和更穩定是其湍流減阻的重要物理機制。本項目還採用不可壓縮格子BGK方法對有微結構的超疏水表面的微尺度槽道流動問題進行了研究，研究結果表明兩微脊間的氣穴深寬比是影響微槽道流動的重要參數。在保證氣穴存在的情況下，固體面積分數越小，氣液界面上的速度滑移越大，流動阻力越小。計算和實驗研究均表明超疏水表面減阻的基礎是其上的氣膜容易保持，研究表明微納二級結構可以一定程度增強其上的氣膜穩定性。當氣膜有一定的失穩時，不能單憑表面的接觸角和接觸角滯後來評價表面的減阻能力，研究中引入了減阻率無量綱參數USP，該參數綜合了表面浸潤性參數（接觸角和接觸角滯後）及表面氣膜穩定性參數（微結構間距和深度），實驗發現超疏水表面減阻率與該參數有一定的單調性，該參數越小，表面的減阻率越大。 此研究揭示了表面拓撲結構和浸潤性對流動減阻的物理機理。