水下航行器仿生超疏水减阻材料表面失效与延寿机理探究

Micro-structured superhydrophobic surfaces have expansive applications such as drag reduction, cavitation control, and anti-fouling. The performance of such surfaces strongly depends on the stability of gas-liquid interfaces. In the previous theoretical studies, gas-liquid interfaces are simplified as straight lines and no gas diffusion across the interfaces. With this condition the surface tension is neglected and it is impossible to investigate the stability and gas retention of gas-liquid interfaces on superhydrophobic surfaces. Therefore, the real physical characteristics of superhydrophobic surfaces for drag reduction are considered in the present project. The stability and evolution of gas-liquid interfaces, variation of the drag force and the fluid flow characteristics will be investigated under the effects of surface tension, pressure change, and fluid stress tensor. On the other hand, the elastic deformation of hairs or filaments supporting liquid-gas interfaces will be investigated by implementing the immersed boundary method to represent the elastic vibration of hairs or filaments. Their effect on the longevity of superhydrophobic surfaces will be further investigated as well. Experimental investigation will be carried out in order to compare with the numerical results. The numerical method used can be applied in the precise simulations of the underwater vehicle drag reduction and the results can be finally used to direct the real applications of superhydrophobic surfaces.

超疏水材料对水下航行器减阻、调节空化、表面防污等领域具有非常广泛的应用，而气-液界面的稳定性是关系到超疏水材料性能发挥的关键因素。以往在对超疏水表面进行理论研究的过程中，气-液界面被过于简化，且忽略了表面张力作用与固体材料微结构的变形，这种情况下无法对微结构中气-液界面的稳定性及超疏水特性失效与延寿进行研究。因此，本项目拟结合超疏水材料减阻的真实物理特性，研究在表面张力、压力变化和流动剪切共同作用下，气-液界面的稳定性及其演化规律，以及对减阻与流体流动特性的影响。通过开发适用于气、液、固三相耦合的浸入边界法，开展超疏水表面纤状结构在外力作用下发生弹性变形的研究，探索其对表面疏水特性延寿的影响。本项目拟通过超疏水表面气-液界面演化过程的实验研究，对数值结果进行比较与验证。研究成果将为超疏水材料应用于水下航行器减阻、防污提供有效参考。

超疏水材料可以在不产生额外能量消耗的前提下获得液-气界面，其在水下航行器减阻、调节空化、表面防污等领域都具有非常广泛的应用。对其研究中发现，在提高超疏水表面有效滑移的同时，使其能有效工作更关键的是长时间地保留位于水下结构表面上微结构之间的空气，即保持表面滑移的稳定性，从而保证材料表面长时间具有减阻效果。而超疏水表面微结构上液-气界面的稳定性主要受到静水压力、微结构几何与材料特性、周围水体中气体交换（水下停留时间）和流体流动剪切作用等因素的影响，因此，开展与液-气界面稳定性的基本科学问题相关的研究十分必要。本项目以数值模拟为主，开展了超疏水表面规则微结构构型条件下，液-气界面在不同外部流动条件下的演化过程的研究；同时，针对可增强液-气界面稳定性的表面纤状结构，在刚性和弹性条件下的流动状态开展了研究。项目结合超疏水材料减阻的真实物理特性，开展在表面张力、压力变化和流动剪切共同作用下，液-气界面的稳定性及其演化规律，以及对减阻与流体流动特性的影响。通过数值模拟发现，压强越大超疏水表面寿命越短, 疏水和滑移性能越容易消失；另外如果液-气界面凸起形成气泡, 那么在流体黏性剪切应力的作用下会发生变形，甚至三相接触线从微结构顶端脱钉扎, 相邻气泡融合, 形成连通的气层, 这在某种程度上极大地增强了微结构表面的滑移性能；在层流条件下最大减阻可达到70%，而随着气液界面形状的变化减阻比例逐渐减小。通过液-气-固三相耦合的数值模拟，对超疏水表面纤状结构在外力作用下发生弹性变形过程中液-气界面演化规律的研究发现，纤状结构头部的钉扎效应可以增强液-气界面的稳定性，从而提高疏水特性恢复的稳健性。通过与超疏水表面气-液界面演化过程的实验研究的对比，对数值结果进行了验证。项目探索了超疏水表面液-气界面的稳定性，并对疏水特性延寿的设计形式进行了探讨，研究成果将为超疏水材料应用于水下航行器减阻、防污提供有效参考。