基于表面拓扑结构和浸润性的流动减阻机理研究

This project is flow drag reduction study based on the surface topology and wetting property. Drag reduction techniques have received more and more attention in recent years due to their promising applications with great benefits in many areas. However, most of the current studies have focused on the superhydrophobic surface with micro- and nano- stuctures. Most of the flows have been studied are laminar flows driven by the pressure gradients. In the project, influences of micro-, nano- and hierarchical structures, as well as their wetting properties (superhydrophobic and superhydrophilic) on the drag reduction of turbulent flow will be studied. The project will be carried out from both of experiments and calculations. In the experimental study, using technologies such as particle image velocimeter (PIV) and Micro-PIV, flow field of the near-wall region will be measured accurately, and the effect of surface topology and wetting property on the Reynolds stress terms and the turbulence intensity,etc.will be analysed. Apart from pressure-driven flows, effects of superhydrophobic surfaces on the shear-driven flows will be paid more attention. The mechinism of drag increase on the superhydrophobic surface in the shear-driven flows, will be revealed. In the simulations, an improved LBGK method which not only can effectively simulate the gas-liquid interface but also can ensure constant of the liquid density under the pressure-driven flow will be developped. Based on the improved LBGK method, the influence of the surface topology and the surface wettability on the slip length and the gas-liquid interface shape will be researched. In addition, reasonable proportion of parameters on the micro- and nano-structured surface will be studied by combination of the optimization algorithm with the LBGK method.

本项目是研究表面拓扑结构和表面浸润性对流动减阻的影响及机理探讨，近些年来由于其潜在的各方面优点，相关流动减阻技术受到越来越多的关注。但是，目前的研究多局限于一级结构超疏水表面的压力驱动流的层流减阻。本项目计划从实验和计算两方面同时开展，进行一级/多级微纳结构的不同表面拓扑结构和不同表面浸润性的湍流流动减阻研究。在实验研究中采用PIV和Micro-PIV等技术对近壁区流场进行精细测量，分析表面拓扑结构和浸润性对雷诺应力项和湍流强度等参数的影响，揭示湍流减阻的机理。并进行流动驱动方式对流动减阻效果的研究，揭示剪切驱动流导致的超疏水表面流动增阻现象产生的机理。在计算研究中，开发既可有效模拟气液界面又能确保在压力驱动流中维持液体密度不变的改进LBGK方法，进行表面拓扑结构与表面浸润性等参数对表面滑移长度和气液界面形状影响的研究。此外，将优化算法与LBGK方法相结合，进行微纳尺寸参数的合理配比研究。

本项基金“基于表面拓扑和浸润性的流动减阻机理研究”在过去的4年中，探讨了若干种不同微纳二级结构超疏水表面的制备方法，制备了若干种不同表面拓扑结构和浸润性的微纳二级表面，通过液滴在其表面上的表观接触角和滚动角测量，确定了其表面浸润特征。然后将疏水性好的微纳二级超疏水表面用于内外流动减阻研究，通过精细的PIV实验和流动阻力实验，发现在实验工况下，在气膜保持的情况下，超疏水表面相对于普通平表面均有一定的减阻效果，且湍流减阻率要大于层流减阻率，最大的湍流减阻率可达53%。研究发现这是由于表面滑移引起的摩擦阻力的减少和雷诺应力减少共同作用的结果，且在实验工况下随着雷诺数的增加，雷诺应力减少占的比分越来越大。此外超疏水表面上方的涡强度和数量在近壁区大大减弱，涡的位置也发生了变化：涡向远离壁面的方向发生了移动。采用泰勒冻结假设和条带识别统计算法进行相干结构分析，研究发现，超疏水表面对其上方相干结构的作用可分为两部分来看：在近壁区域，超疏水表面通过引入速度滑移使得其上方的低速条带强度减弱且抬升角减小，更为稳定不易破碎；在外区，超疏水表面上方条带最不稳定的状态与普通表面相比沿远离壁面方向上移，这使得发卡涡头部附近的下扫事件距壁面更远，对壁面摩擦贡献减弱。相对于普通平表面，超疏水表面近壁区大尺度涡结构减弱、上移和更稳定是其湍流减阻的重要物理机制。本项目还采用不可压缩格子BGK方法对有微结构的超疏水表面的微尺度槽道流动问题进行了研究，研究结果表明两微脊间的气穴深宽比是影响微槽道流动的重要参数。在保证气穴存在的情况下，固体面积分数越小，气液界面上的速度滑移越大，流动阻力越小。计算和实验研究均表明超疏水表面减阻的基础是其上的气膜容易保持，研究表明微纳二级结构可以一定程度增强其上的气膜稳定性。当气膜有一定的失稳时，不能单凭表面的接触角和接触角滞后来评价表面的减阻能力，研究中引入了减阻率无量纲参数USP，该参数综合了表面浸润性参数（接触角和接触角滞后）及表面气膜稳定性参数（微结构间距和深度），实验发现超疏水表面减阻率与该参数有一定的单调性，该参数越小，表面的减阻率越大。 此研究揭示了表面拓扑结构和浸润性对流动减阻的物理机理。