超疏水表面减阻水洞实验及减阻机理研究

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1、第２５卷第５期实验流体力学Ｖｏｌ．２５，Ｎｏ．５２０１１年１０月ＪｏｕｒｎａｌｏｆＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｉｎＦｌｕｉｄＭｅｃｈａｎｉｃｓＯｃｔ．，２０１１文章编号：１６７２－９８９７（２０１１）０５－００２１－０５超疏水表面减阻水洞实验及减阻机理研究黄桥高，潘光，武昊，胡海豹，宋保维（西北工业大学航海学院，西安７１００７２）摘要：针对超疏水表面功能材料在流动减阻方面的潜在应用，通过水洞实验研究了具有超疏水表面航

2、行器模型的阻力特性，获得了其减阻特性曲线，并得到了超过２０％的减阻效果。对超疏水表面进行了表面能特性和滑移特性分析，认为表面组分中的疏水基团和表面微观结构分别导致了超疏水表面的低表面能效应和壁面滑移效应，两者是超疏水表面具有减阻作用的直接原因。关键词：超疏水表面；水洞实验；表面能；微观结构；减阻机理中图分类号：Ｏ３５７．５文献标识码：ＡＩｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎａｂｏｕｔｄｒａｇｒｅｄｕｃｔｉｏｎｗａｔｅｒｔｕｎｎｅｌｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｎｄｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｓｕｐｅｒｈｙｄｒｏｐｈｏｂｉｃｓｕｒｆａｃｅ

3、ＨＵＡＮＧＱｉａｏ－ｇａｏ，ＰＡＮＧｕａｎｇ，ＷＵＨａｏ，ＨＵＨａｉ－ｂａｏ，ＳＯＮＧＢａｏ－ｗｅｉ（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＭａｒｉｎｅ，ＮｏｒｔｈｗｅｓｔｅｒｎＰｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉａｎ７１００７２，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｏｒｔｈｅｐｏｓｓｉｂｌｅｄｒａｇｒｅｄｕｃｔｉｏｎａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｓｕｐｅｒｈｙｄｒｏｐｈｏｂｉｃｓｕｒｆａｃｅ，ｔｈｅｄｒａｇｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｖｅｈｉｃｌｅｍｏｄｅｌｓｗｉｔｈｓｕｐｅｒｈｙｄｒｏｐｈｏｂｉｃｓｕｒｆａｃｅ

4、ｉｓｓｔｕｄｉｅｄｂｙｗａｔｅｒｔｕｎｎｅｌｅｘｐｅｒｉ－ｍｅｎｔ．Ｔｈｅｄｒａｇｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｃｕｒｖｅｓａｎｄｅｘｃｅｓｓ２０％ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｄｒａｇｒｅｄｕｃｔｉｏｎｅｆｆｅｃｔａｒｅａｃ－ｑｕｉｒｅｄ．Ｔｈｅｓｕｒｆａｃｅｅｎｅｒｇｙｓｐｅｃｉａｌｔｙａｎｄｓｌｉｐｓｐｅｃｉａｌｔｙｏｆｓｕｐｅｒｈｙｄｒｏｐｈｏｂｉｃｓｕｒｆａｃｅａｒｅａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｉｎｄｉｃａｔｅｔｈａｔｔｈｅｈｙｄｒｏｐｈｏｂｉｃｆｒａｇｍｅｎｔｓａｎｄｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｂ

5、ｒｉｎｇａｂｏｕｔｌｏｗｓｕｒｆａｃｅｅｎｅｒｇｙｅｆｆｅｃｔａｎｄｗａｌｌｓｌｉｐｅｆｆｅｃｔｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ，ｗｈｉｃｈａｒｅｅｆｆｉｃｉｅｎｔｒｅａｓｏｎｓｔｈａｔｓｕｐｅｒｈｙｄｒｏｐｈｏｂｉｃｓｕｒｆａｃｅｐｏｓｓｅｓｓｅｓｄｒａｇｒｅｄｕｃｔｉｏｎｅｆｆｅｃｔ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｕｐｅｒｈｙｄｒｏｐｈｏｂｉｃｓｕｒｆａｃｅ；ｗａｔｅｒｔｕｎｎｅｌｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ；ｓｕｒｆａｃｅｅｎｅｒｇｙ；ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃ－ｔｕｒｅ；ｄｒａｇｒｅｄｕｃｔｉｏｎｍｅｃｈａｎｉｓｍ表面的减阻特性。结果

6、表明：自由剪切面积增大时，０引言表观滑移速度增加，摩擦阻力系数减小，且在相同条随着科学技术的发展，各种超疏水表面的设计和件下湍流状态时的减阻量明显高于层流状态。霍素［９］应用已成为研究的热点。自然界有很多生物都具有斌在铝制微通道内壁上制造出接触角达１５３°的超超疏水性和自清洁功能，例如荷叶表面和水黾腿部，疏水表面，并对水在超疏水表面微通道和超亲水表面其表面水的接触角都高达１６０°以上，滚动角小于微通道中流动的压降进行了测试与对比，实验得出水［１－２］５°。正是生物表面的超疏水性和自清洁功能带给在超疏水表面微通道

7、内的流动阻力有明显降低，降低［１０］了水下减阻技术新的研究方向。受此启发，国内外学的最大值可达２５％。李刚利用飞秒激光在硅表面［３－６］者开始关注超疏水表面减阻技术的研究。Ｃｈｏｉ刻蚀具有不同宽度和深度的微槽形貌，经过硅烷化处［７］Ｃ．Ｈ．通过实验对超疏水表面微通道内水流动时理，通过接触角的测量和流变特性实验研究其疏水性［１１］的滑移效果进行了研究，发现在相同压力下超疏水表与流动减阻的关系。吕田使用数值模拟方法研究面微通道内的流率大于普通表面微通道内的流率，并了超疏水性圆管内的湍流流动特性。研究表明：其流把流率

8、增大的原因归结为超疏水表面壁面处存在滑场中存在临界Ｒｅ数，当Ｒｅ数大于此临界值时，超疏［８］移。ＫｅｖｉｎＪｅｆｆｓ和ＤａｎｉｅｌＭａｙｎｅｓ利用数值模拟的水性圆管内的湍流流动表现为减阻；反之则表现为增方法研究了具有平行于流动方向的微结构的超疏水阻，并认为超疏水表面无滑移壁面与自由剪切面的综收稿日期：２０１０－１０－０８；修订日期：２０１１－０４－２０基金项目：国家自然科学基金（５０８