仿生滑移表面液气界面稳定性及微结构设计研究

Underwater biomimetic slippery surfaces have significant drag reduction effects in both laminar and turbulent flows, which have promising potential for application in many industrial fields, such as shipping and underwater vehicle. The excellent properties of underwater slippery surface rely on the stable existence of the liquid-gas interface trapped on its surface. However, liquid-gas interface instability hinders the application of underwater slippery surface. In this project, we plan to study the influence of microstructure morphology to the stability of the liquid-gas interface on the underwater slippery surface, reveal the microstructure design principles to keep the liquid-gas interface stable under different environmental conditions; establish a free energy frame for underwater slippery surface with elastic microstructures, reveal the relation between the mechanical properties of microstructures and the stability of the liquid-gas interface on the underwater slippery surface; combine the influences of microstructure morphology and mechanical properties on liquid-gas interface stability to explore the stability mechanism of biological slippery surfaces, reveal the biomimetic principle, design and manufacture microstructures of slippery surface with good liquid-gas interface stability. This project will benefit the engineering application of water slippery surface, especially in flow environments.

水下滑移表面具有十分优异的流动减阻特性，在船舶、水下航行器等工程领域具有重要的应用前景。水下滑移表面的优异减阻特性依赖其表面微结构上附着的液气界面，然而，液气界面在环境因素的影响下容易失稳，进而影响了水下滑移表面优良性能的发挥。本项目拟通过表面微结构形貌与力学性能设计，实现液气界面在流动环境中稳定存在。研究内容如下：研究微结构形貌对水下滑移表面液气界面稳定性的影响，揭示不同流态下，液气界面保持稳定的微结构设计规律；建立水下弹性微结构滑移表面自由能方程，揭示微结构力学性质与水下滑移表面稳定性内在联系；综合微结构形貌和力学性质对液气界面稳定性影响规律，揭示生物滑移表面微结构设计原理，总结仿生学原则，设计和制备在不同流态下具有良好液气界面稳定性的滑移表面微结构。本项目对促进水下滑移表面在流动中的工程应用具有重要意义。

水下滑移气层具有流动减阻、防污、防腐蚀等诸多优良性质。然而，液气界面的失稳与形变严重影响了这些优良性质的发挥。本项目进行了水下固液气界面的稳定性，减阻性及流动控制特性等方面的研究。建立了任意微结构固体表面上液气界面稳定性分析能量框架，揭示了微结构形貌对水下滑移表面液气界面稳定性影响规律；提出了液气界面可以在水下自发达到稳态的固体表面形貌特征判据，为不同环境下具有良好液气界面稳定性的表面微结构设计提供了设计依据；建立了表面微结构弹性和水下固液气界面稳定性的关联关系；揭示了水下仿生微结构表面上微结构对流动减阻和流场控制的影响机理，提出了通过调控微结构实现流场控制的方法。本项目完成了项目申请书中所述的研究目标，将促进对水下固液气界面稳定性的理解，及其在流动减阻和流场调控中的应用。