疏水性微纳米结构表面水下减阻的分子动力学研究

受荷叶等生物表面具有疏水性的启示，越来越多的国内外研究者开始关注疏水性表面水下减阻研究，该领域已成为当前减阻研究的热门课题之一。这类疏水性表面的电镜图（SEM）显示，其表面分布着微、纳米尺度的细微结构。因此，疏水性微纳米结构附近的流动存在无法忽略的张力效应、分子力效应等微尺度效应，属微流动学问题。本项目则瞄准目前疏水性微纳米结构表面微流动研究方面的空缺，将分子动力学方法引入该研究领域，建立适用该微流动的分子动力学模型，研究分子动力学数值计算方法，进而通过数值模拟典型疏水性微纳米结构表面微流动，从界面"滑移"现象产生，微结构内部及周围微气泡产生、驻留等方面，揭示典型疏水性微纳米结构表面的微流动特性，探索其减阻规律与减阻机理；同时通过开展疏水性微纳米结构表面界面属性测试试验，获得其表面微观形貌、表面能等信息，为数值模拟提供依据。本项目将为进一步开展该减阻技术的应用研究奠定基础。

按照项目计划书要求，顺利完成各项研究任务和设定目标。分别建立了疏水表面微流动非平衡分子动力学模型（NEMD）和格子玻尔兹曼模型（D2Q9），设计出支持“CPU-GPU”异构的多机并行计算程序，实现超过10倍的微流动模拟加速效果；通过大量疏水表面微流动数值模拟，给出固体表面润湿性、流体驱动强度及微结构等对流体密度、流速、滑移速度及滑移长度等参数的影响规律，并从理论上阐明疏水表面气体附着和驻留过程；采用高速摄像技术系统观测了水滴在疏水性规则和无序微结构表面的变形、铺展、脱落等界面特性，理论推导出相关界面现象的临界发生条件；通过典型疏水表面水下边界层流场的热线和PIV测试，给出疏水表面平均速度、湍流度、湍动能及滑移长度等参数分布规律，并基于小波理论进一步分析了疏水表面对湍流猝发事件的抑制作用效果；结合理论和试验研究，总结出不同润湿性疏水表面水下滑移特性和减阻规律，并通过考察近壁区流体原子行为，从固液界面热传递角度阐明界面原子集群行为的微观过程，初步揭示出固液界面滑移的形成机理。该项目的实施为疏水表面减阻技术的后续应用研究和性能提升奠定了必要的理论基础。项目执行期间，共发表学术论文33篇（全部标注课题号），其中SCI索引10篇，EI索引21篇；申请发明专利1项；参加学术会议13人次；培养与本项目相关博士研究生2人，硕士研究生6人，其中7人次获得研究生国家奖学金。