超疏水表面在湍流边界层中的减阻机理

【作者】 张静娴； 姚朝晖； 郝鹏飞； 田海平； 姜楠；

【机构】 清华大学工程力学系； 天津大学力学系；

【摘要】 超疏水表面由于其优异的憎水性能使其在流动减阻领域备受瞩目~[1-7]。对于超疏水表面层流减阻的机理,目前认为主要是其界面的速度滑移[8-10]。然而,由于湍流流动的复杂性、实验的不确定性及数值模拟的简化等多重因素,超疏水表面湍流减阻的机理仍显得迷雾重重,不同研究中仍存在一些矛盾~[11],[12]。为对超疏水表面的湍流减阻机理有更进一步的认识,本文测量了普通表面和超疏水表面在零压梯度边界层中的流动。实验中的超疏水表面为不规则微纳二级结构表面,采用表面喷涂的办法进行制备。使用接触角测量仪测量其接触角特性可得,对于10μL液滴,超疏水表面的接触角为160±0.5°,前进角为161.9±0.8°,后退角为158.9±0.9°。通过扫描电镜观测,实验中使用的超疏水表面的结构和荷叶表面的微观结构相类似,其表面的平均粗糙度Rt约为30μm.为进一步研究超疏水表面上方的流动特征和减阻机理,本文通过PIV测量的方法测量并分析了超疏水表面和普通表面上方在三种雷诺数(Reθ=810,990,1220)下湍流边界层内的速度分布情况,测量装置图如图1所示。图中红色部分为超疏水或普通表面,可在同样的实验条件下对两板进行替换。实验过程中,我们观测到超疏水表面一直存在一层气膜。实验中,为减小随机误差,对于超疏水表面和普通表面的流动均分别进行了三组测量,每组实验拍摄6001幅图片,对应6000个瞬时速度场,据此可对湍流统计量和湍流结构进行了进一步的分析。对于超疏水板,其速度剖面沿U+正向上移,曲线斜率基本不变,如图2所示。超疏水表面上方速度剖面的抬升现象可以认为是由其表面的"超疏水粗糙度"(表面的气膜带来的界面滑移和微纳结构的粗糙度共同效应)造成的,这一抬升和超疏水表面的减阻密切相关.通过计算表面摩擦速度,在三种雷诺数Reθ=810,990,1220下超疏水表面的减阻率分别为10.1%,20.7%和24.1%。在我们的实验中,减阻现象的影响因子可分为两部分:超疏水界面上的滑移和其上方流场中湍流结构的改变,而随着雷诺数增大,第二部分的影响逐渐增大.此外,超疏水表面上方的湍流统计量也受到了一定的抑制。在近壁区,超疏水板上方的雷诺应力T turb+和总剪切应力T+曲线均比普通板上方的要低,即受到抑制,并且其受抑制的范围随Reθ增加而增加。对于Reθ=810,990,1220的情况,超疏水板上方T turb+和T+受抑制的范围分别为y/δ<0.15,y/δ<0.4和y/δ<0.8。在湍流边界层中,雷诺应力对于总剪切应力有很大贡献,并且壁面摩擦系数和雷诺应力在整个湍流边界层中的积分相关。在我们的实验中,对于Reθ=810,990,1220的三种工况,超疏水板上方雷诺应力T turb+在整个边界层内分别减少了2.5%,18.5%,23.1%。对于Reθ=810,990,1220,用壁面剪切力估算的减阻率分别为10.1%,20.7%和24.1%。减阻率和积分雷诺应力减少率的差异可以认为是由壁面滑移的贡献带来的。在我们的实验中,滑移的效应随雷诺数Reθ增大而逐渐减弱,而雷诺应力的效应随雷诺数Reθ增大而显著增强。这两种效应的合减阻效应表现为随雷诺数Reθ增大而增强。这一现象和Park等人~[12]用直接数值模拟得到的结果相类似。此外,我们在超疏水表面上方的V rms+,T turb+和T+曲线图中还观测到了第二峰现象。考虑到雷诺应力和湍流结构的密切联系,以Reθ=990为例,我们分析研究了超疏水表面上方涡分布的情况。流域中的涡是通过λ_ci判据进行识别的,并通过定义一些场平均量进行统计和比较~[13]。和普通表面相比,超疏水表面可以影响其上方涡的生成和演化。超疏水表面上方涡的总数和强度都较普通表面上方的有所减少。此外,超疏水表面还使得其上方的涡向远离壁面的方向移动,这使得涡对于壁面阻力的贡献有所减少。在平均场结果中,超疏水表面上方的最大λ_ci比普通板上方的减少了20.7%,并且其出现的位置较普通板的位置沿远离壁面的方向上移了0.17δ。这些近壁湍流结构的改变致使超疏水表面上方的雷诺应力较对应普通表面上方的有所降低。综上所述,超疏水表面带来的减阻效应是其表面速度滑移作用和对湍流结构影响的综合作用结果。随着雷诺数的增加,滑移带来的效应逐渐减小,而湍流结构的影响逐渐增强。在我们的实验条件下,在超疏水表面上方气膜稳定存在的前提下,超疏水表面的减阻效应随雷诺数增加而增强。更多还原