超疏水表面形貌对层流减阻的数值模拟

为了研究超疏水表面形貌结构对其流动减阻的影响,设计了4种不同形貌的表面结构.针对超疏水表面的流动特点,建立微通道气-液两相流动的VOF(Volume of Fluid)模型,对超疏水表面在层流状态下的表面形貌结构对流动减阻的影响规律进行了研究.结果表明,超疏水表面的减阻效果随微凸起间距的增大而明显增大,而与微凸起高度的变化关系不大,且三角形和圆顶矩形微凸起结构表面比圆形和平顶矩形微凸起结构表面具有更好的减阻效果.     

具有微纳结构超疏水表面的槽道减阻特性研究

目前一系列实验研究表明,在由一级微米结构或一级纳米结构构成的超疏水表面制成的槽道中,在层流的条件下,存在明显的减阻效应.但是以往的实验中,所采用的超疏水表面均是由一级微米结构或者纳米结构构成,并且流动槽道的尺度均是在微米量级,对于宏观尺度槽道中的流动减阻没有相应的研究.在本文中,首先介绍了一种全新的利用碳纳米管构建具有微纳二级结构的超疏水表面的方法,然后在由该表面构成的宏观尺度的槽道进行了流动阻力特性实验,实验发现由微纳二级结构构建的超疏水表面形成的宏观尺度槽道中,在层流条件下,依然具有减阻效应,且最大减阻达到36.3%.同时利用mirco-PIV技术对槽道内的流动速度进行了测量,与传统的壁面无滑移理论不同,在超疏水槽道内,发现在壁面处流体存在明显的速度滑移.     

超疏水表面滑移流动特性数值仿真研究

提出了两无限大平行平板间充分发展层流流动的滑移参数计算方法,并基于不连续气层假设的滑移流动模型,在壁面条件中给定无滑移边界面和自由剪切面组成的复合边界条件,对具有规则微观结构的超疏水表面滑移流动特性进行数值仿真研究.数值仿真结果表明:该计算方法不仅能够精确获得超疏水表面滑移长度、滑移速度、流场结构等信息,还可以得到超疏水表面微观结构的几何尺寸对其减阻特性的影响规律.     

射流表面射流孔菱形排布减阻特性实验分析

针对射流表面流场特性,以回转体的U-PVC管为实验样件载体,在其表面上加工出按菱形排布的射流孔结构.在射流表面减阻测试实验平台上,对光滑表面和不同射流孔排布方式的射流表面所受摩擦扭矩进行模型实验,分析射流孔排布、射流速度、旋转速度等因素对射流表面减阻率的影响,研究射流孔不同排布方式下射流表面减阻特性.结果表明:不同排布方式的实验样件射流表面具有较好减阻效果,射流孔菱形排布的两个对角线均能影响射流表面减阻特性.     

金属微结构双疏表面的摩擦特性研究

通过激光加工在锡青铜(ZQSn6.50.1)和轴承钢(GCr15)表面制备了微结构阵列,并进行低表面能处理,得到了2种金属双疏(疏水/疏油)表面.对制备的试样进行摩擦学性能实验研究,分别考察2种试样表面不同微结构形状、载荷及摩擦速度对其摩擦学性能的影响.结果表明:在相同润滑条件下,锡青铜和轴承钢双疏表面摩擦系数均比各自光滑试样表面低,最低分别为0.037和0.026;2种金属双疏表面具有圆形微凹坑阵列结构时,具有最优的减阻效果;载荷对试件摩擦系数的影响因材料特性不同而不同;随着速度的增加,不同图案密度微结构表面摩擦系数均呈现先减小后增大趋势,符合Stribeck曲线特性.     

超疏水表面仿生原型制备技术研究分析

超疏水表面(superhydrophobic surface)是指水滴静态接触角>150°且滚动角<10°的材料表面,广泛应用于自清洁、防腐蚀、疏水抑冰与船舰减阻等诸多工程领域。基于仿生工程学原理,人们对典型超疏水仿生原型进行广泛研究,以期获取超疏水表面研制的理论基础。从呈现超疏水润湿现象的典型动植物体表入手,综述其表面微形貌结构特征对超疏水润湿特性的影响机制,介绍材料表面超疏水润湿行为量化表征的数学模型;重点关注仿生超疏水表面制备技术的最新研究进展,包括传统制备方法与3D打印制备技术,以及超疏水表面制备样件的功效表征;分析指出仿生超疏水表面的低成本、大面积、功效持久性是该领域未来发展的重要方向。研究成果可加深学者对超疏水润湿特性的认知,推动超疏水表面仿生研制新思路、新方法、新技术的发展。     

仿生射流表面减阻特性实验研究

基于鱼类鳃裂部位仿生射流表面理论分析,对仿生射流表面回转体进行射流实验,研究其减阻特性。运用扭矩信号耦合器,分别对光滑表面实验模型和射流表面实验模型在不同旋转速度下进行摩擦扭矩测试,得到射流减阻特性曲线。研究结果表明:仿生射流表面具有较好的减阻效果,减阻率与实验模型转速、射流速度、射流孔径有着密切关系;射流最大减阻率达到10.8%。     

非光滑表面离心泵叶轮的流动减阻特性

为了分析非光滑表面对离心泵性能的影响,基于仿生凹坑表面的减阻特性,将凹坑型非光滑单元体排布于离心泵叶片的工作面,建立具有非光滑表面的叶轮离心泵的流动减阻特性分析模型,通过RNGk-ε湍流模型对离心泵内部流场进行数值模拟,分析具有非光滑表面叶轮的流动减阻特性,研究不同流量下非光滑表面对叶片近壁面的速度分布、剪应力和离心泵内部流场的影响.结果表明:凹坑型非光滑表面能够降低因黏性阻力产生的叶轮扭矩,其扭矩的最大降幅为5.8%;非光滑表面能够有效控制叶片近壁面边界层的流体流动,减小叶片的壁面剪应力;凹坑型非光滑表面能够降低离心泵叶轮内部流体的湍动程度,减小湍动产生的能量耗散,使叶轮内部的流体流动更加稳定并提高离心泵的效率.     

脂肽类生物表面活性剂对细菌表面亲疏水性和粘附性的影响

地衣芽孢杆菌(B acillus lichen if orm is)NK-X3产生的脂肽类表面活性剂具有高表面活性,其临界胶束浓度(CM C)值为30 m g/L.采用接触角测量和烃粘附率实验研究低于CM C值的脂肽浓度对细胞表面亲疏水性和粘附性的影响.结果表明,脂肽具有改变细菌表面的疏水特性,使亲水性的NK-X3菌疏水性增强,疏水性的K 80-B菌疏水性减弱.脂肽改变细菌细胞表面的亲疏水性,从而改变细菌的粘附性.     

微结构疏水表面的液滴浸润特性

以聚二甲基硅氧烷(PDMS)为基底采用光刻蚀法制备了具有不同粗糙度的微方柱结构疏水表面,研究了微结构疏水表面的液滴浸润特性.结果表明,微方柱高度对表观接触角影响很小,但会显著影响疏水表面液滴浸润状态的稳定性,当微方柱边长和间距一定时,存在一个临界高度,当微方柱高度大于该临界值时,液滴具有良好的稳定性.通过对不同温度下疏水表面液滴浸润状态的研究表明,在露点温度至环境温度区间内,随着温度的增加,表观接触角呈增大趋势;在环境温度至沸点温度区间内,随着温度的升高,表观接触角呈减小的趋势.研究认为,合理的微结构尺寸和应用环境温度对液滴浸润状态的稳定具有重要意义.     

超疏水材料在水管内壁减阻的应用

针对超疏水表面功能材料在流动减阻方面的潜在应用,并结合水利与环境方面的专业知识,以节约能源提高效率为目的,展开了关于超疏水管道的有关研究．通过实验研究疏水材料应用于输水管道的减阻效果,并与普通接触角的超疏水管道对比,得出接触角与减阻效果的图表,继而提出应用于实际的方案．通过实验研究,发现随着接触角增大输水管道内水的流速也有增大趋势．也简要综述了前期的超疏水材料制备和生物应用方面的研究工作．     

射流表面射流角度与射流速度耦合减阻特性

针对射流的仿生非光滑表面的减阻问题,运用可拓学基本原理建立了射流角度与射流速度耦元、耦合的可拓模型.利用SSTk-w湍流模型在对射流表面射流角度与射流速度耦合情况下的减阻特性进行了数值模拟,并以此研究了射流表面压差阻力和黏性阻力减小的原因和射流表面边界层的控制行为.结果表明:在射流的角度、速度耦合的情况下,射流表面的减阻性能较好;当耦合的射流角度为30°、射流速度为1.2 m/s时,减阻率最大,为28.10％;角度、速度耦合下的射流表面有助于减小模型壁面的速度梯度,增加壁面黏性底层的厚度,继而降低了模型壁面的压差阻力和黏性阻力,并且表现出良好的减阻性能;耦合下的压差阻力在一定程度上可以作为一种附加的动力,对射流表面流体起到推动的作用.     

仿生表面微结构减阻优化及机理研究综述

介绍了自然界中几种较为典型的非光滑结构表面生物,阐明了合理表面微结构可以改变近壁区湍流结构的规律,针对表面微结构的类型、减阻研究实例、减阻机理和减阻应用等4个方面进行了评述,提出了沟槽扩展类型,并指出减阻机理研究应拓展至复杂形态结构。分析表明:微结构类型对减阻效果有较大影响,减阻优化及其机理研究是仿生表面微结构减阻工作的重点,仿生表面微结构减阻优化可进一步提高节能降耗的效率,在飞行器、高速列车、汽车等工程领域具有广泛的应用前景。     

Research progress on the ultra hydrophobic surface topography effect

The study on the effect of surface topography on hy- drophobicity involves solid-liquid-gas contact line ef- fect and solid-liquid interphase effect. The former is chiefly related to the wettability of the solid surface, while the latter is mainly concerned with the solid-liquid interface resistance during the process of relative movement. The hydrophobicity or wettability is one of the main characteristics of solid surface, determined by both the chemical components and the microstructures of…     

Fabrication of a micro-structured surface based on interfacial convection for drag reduction

Based on interfacial convection in the presence of solvent evaporation, a novel method for the fabrication of a micro-structured surface is proposed to facilitate drag reduction. A mixture was coated on a substrate through a specially developed spray-painting system. Micron scale pits formed spontaneously in the coated surface because of interfacial convection and deformation driven by the gradient of the interfacial tension. Experimental results indicated that particles in the mixture played a crucial role in pit formation, and with a suitable selection of particle size and dosage, the characteristic parameters of the pitting could be controlled. The drag reduction experiments were first performed in a water tunnel, and the results showed that the micro-structured surface had a remarkable drag reduction performance over a great range of flow speeds.     

沟槽面在湍流减阻中的技术研究及应用进展

针对长输管道中存在的能源消耗问题,分别从湍流边界层流动特性、拟序结构、条带结构、转捩等方面归纳了沟槽面湍流减阻的国内外研究现状,讨论了沟槽的几何形状和尺度、流场压力梯度、沟槽面放置方式对沟槽减阻效能的影响。对沟槽面的减阻机理进行了综述,分析了存在的问题。指出需要利用先进的实验技术如PIV等图像处理手段,并结合计算流体力学软件对湍流边界层的瞬时流场进行研究,以找出沟槽面湍流减阻的机理。数值模拟了在平板中部横向布置的下凹沟槽的流场情况,得到了一种小涡流动结构,同时验证了这种结构在减阻中的作用,阐述了对减阻的另一种认识,并对沟槽面湍流减阻技术及其工业利用进行了展望。     

MIRA阶梯背模型尾部非光滑表面优化设计方法

为探索车身非光滑表面特征参数的优化设计方法,在MIRA阶梯背模型尾部分别布置凹坑型、凸包型和沟槽型非光滑表面,进行计算仿真和风洞模型试验对比分析不同非光滑单元的减阻效果。以非光滑单元体间距与高度为设计变量,以模型气动阻力系数为优化目标,采用拉丁超抽样方法进行样本设计,建立Kringing近似模型并检验拟合精度,运用NSGA-II遗传优化算法分别对凹坑型、凸包型和沟槽型非光滑表面特征参数进行优化。对比优化前后流场参数,分析车身非光滑表面减阻的机理。仿真结果和风洞试验数据表明优化后的凹坑、凸包及沟槽型非光滑表面模型的气动阻力均进一步减小,减阻率分别达到6.92%、4.03%、4.24%,减阻效果明显。