低Froude数非轴对称入水空泡特征及入水冲击研究

在现有入水空泡产生条件、空泡表征和入水冲击等理论基础的框架下，采用实验和数值模拟相结合的方法，对刚性小球和柱状体入水过程的非对称因素影响进行研究。其中非对称因素包括非均匀表面特性（浸润性和表面粗糙度）和入水姿态（入水角度、攻角、旋转）。研究的核心是通过表面特性控制，对低Froude数入水过程中的空泡形貌、演化过程进行定量或者半定量描述，并在此基础上结合附加质量、表面波能量以及流动特征等揭示非对称入水冲击机理。主要采用传统技术（如高速摄影等）与较新方法（格子Boltzmann方法，全光场技术）相结合的手段进行研究。创新点包括非对称效应对空泡演化的影响及机理分析、新计算方法的应用和完善，将跨介质全光场技术应用于本问题以获得全面信息。本研究将揭示较复杂条件入水过程的力学机理、诠释动物水面奔跑和打水漂等自然现象的力学机理、并对新型仿生设备和相关的水面设备、跨介质航行器的设计和优化具有重要意义。

本研究项目围绕结构体表面浸润性和粗糙度对其入水过程空泡发生临界速度，以及与之密切相关的接触线失稳机理进行了研究。该研究一方面在一定程度上弥补了当前非均匀表面上，接触线移动（特别是失稳过程）力学机理的不足；另一方面，基于本研究提出粗糙表面接触线“经验”模型，可以作为相关工程问题数值模型设置的参考。研究工作主要围绕“粗糙”圆球、平板入水开展了实验研究，同时辅以VOF与相场法（phase field）技术对大尺度和流动细节的数值模拟工作。前者为我们提供了直接可靠的观测结果和新的现象；后者则为解释其中的物理机理提供了高分辨率的数据——两者吻合较好。基于以上数据，如下结果和物理模型得以证实：（1）非均匀表面上接触线动力学过程与（准）静态条件下的物理特征有明显区别：后者主要通过Wenzel或者Cassie态理论描述：前者则除了受固体（静态）本征接触角及非均匀参数（如接触角比、沟壑几何特征）影响以外，接触线移动速度（毛系数）也对接触线移动过程产生影响——不管固体材料本身是否亲水，都有可能导致Cassie态形成，并对宏观尺度流动造成影响；（2）粗糙平板入水过程中，接触线失稳所服从的量纲关系（scaling law）与光滑平板入水过程相似，但具有相对很低的失稳临界速度，数值模拟结果显示，这主要是由于锚定（pinning）机制导致的，并且在自由面移动速度较高时会在（粗糙）沟壑中封入气体，从而在亲水表面形成Cassie态；（3）尽管宏观上化学和物理非均匀表面表面上（前者指本征接触角变化、后者指存在粗糙沟壑），Cassie态可以作为一种普适规则被使用，但化学非均匀表面所导致的接触线速度降低主要是由接触角变化过程中的粘性（阻碍）效应引起的；物理不均匀表面则主要由接触角迟滞和锚定效应引起；（4）接触线移动过程中，其主要能量耗散取决于接触角附近流动（wedge flow），故疏水表面粘性阻力较小，进一步从建立经验模型的角度出发，利用简单的绕角流动和表观接触角模型可以用以评估粘性耗散对接触线运动的影响，从而对不均匀表面接触线移动进行预测并建立相应的工程数值模型。本研究对揭示接触线在非均匀表面上的动力学过程和相关工程问题（如结构体出入水、水面行走机器人设计等）的解决具有参考价值。