水下微结构表面浸润稳定性研究

【作者】 吕鹏宇； 相耀磊； 段慧玲；

【机构】 北京大学工学院力学与工程科学系湍流与复杂系统国家重点实验室北京大学工程科学与新兴技术高精尖创新中心； 北京大学高能量密度物理教育部重点实验室；

【摘要】 具有表面微结构的固体材料可作为一种滑移表面功能材料应用于水下,实现流体力学滑移边界条件,达到减小流动阻力,调控流动的目的,在流动减阻、微流体等领域具有良好的应用前景。影响微结构表面特性的关键因素是封存在微结构孔隙中的气层。然而,在水压、流动等因素的影响下,该气层会逐渐失去稳定甚至消失,使得这些功能表面失去原有性能。因此,气层在水下保持稳定存在,是功能表面水下应用的最大挑战之一。本研究原位观测了具有规则微结构的固体表面在水下的各种浸润状态及浸润转变过程,提出了一个关于亚稳态寿命的标度律,揭示了水下微结构表面浸润转变的基本规律。在此基础之上,建立了关于气层稳定性的广义热力学理论框架,绘制了不同条件下气层能否保持长时间稳定状态的相图;通过原位实验发现,对水中溶解气体的饱和度进行调控可以实现水下微结构表面气层长时间的稳定,并给出不同环境压强下,气层可保持稳定状态的水中溶解气体饱和度界限,该结果与理论预测高度一致(图1)。本研究揭示了水下微结构内气层稳定存在的机理,对设计开发具有滑移特性的微结构功能表面,及其在水下,尤其是大水深、高压强下的应用具有非常重要的指导意义。更多还原