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。     

铜基超疏水表面的制备及防腐蚀特性

针对铜极易被含Cl~-溶剂腐蚀的问题,以NaOH和(NH_4)_2S_2O_8的混合水溶液为氧化剂、十七氟癸基三甲氧基硅烷(FAS-17)为低表面能改性剂,在铜表面制备得到超疏水涂层。利用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线光电子能谱(XPS)对涂层表面的结构、形貌及组成进行了表征,通过Tafel极化曲线和EIS谱图分析了样品在3.5%(质量分数,下同)NaCl溶液中的防腐蚀特性。结果表明:浸渍10 min的铜表面生长出了致密均匀的CuO纳米线结构;化学改性后表面的水接触角(CA)大于160°,滚动角(SA)小于3°。相比裸铜基板,生长有超疏水CuO纳米线结构的表面表现出较低的腐蚀电流密度(I_(corr)=3.285×10~(-6) A/cm~2),抑制腐蚀的效率达到99.65%,而且在3.5%NaCl溶液中浸泡6 d仍保持超疏水性。与当前使用缓蚀剂抑制铜腐蚀的方法相比,文中方法更加环保且廉价。     

超疏水锌表面的制备及其性能研究

将锌片置于盐酸和月桂酸的乙醇溶液中浸泡一段时间后,采用扫描电镜、傅里叶红外变换光谱仪、接触角测量仪分别对其表面结构、化学组成及其疏水性能进行了分析.结果表明锌片经简单浸泡处理后,其表面形成的粗糙结构和月桂酸的共同作用使其表现出很好的超疏水性能.     

氧化还原法刻蚀制备铜基超疏水表面

通过三氯化铁和铜的氧化还原反应,在铜基材料上制备了具有一定粗糙度的微结构表面。该表面使用月桂酸进行表面处理后,表现出优异的超疏水性能。水在该表面上的接触角可达161.6°。表面微结构和超疏水性能受刻蚀时间的影响较大。随着刻蚀时间的增加,表面上的微粗糙结构开始逐渐形成并增大,此过程对应的水的接触角不断增加,到一定程度后,逐渐趋于稳定。进一步考察了刻蚀剂的浓度、修饰剂的种类、浓度和时间等条件对于该表面超疏水性能的影响。结果表明,反应和修饰条件对铜表面的表面润湿性能具有明显的影响。     

水在不同管径超疏水性微管内的流动特性

在改性有机硅稀溶液中加入2%全氟辛基氟硅烷以及添加剂配制成超疏水液,采用滴定法在内径分别为0.447、0.728和0.873 mm的3种微铜管内壁实现微米级超疏水性涂层涂覆,其水滴表观接触角超过150°。建立微管内流动特性实验系统对超疏水性处理的减阻规律进行了实验研究,分别测量了雷诺数为100~3 000时去离子水流过处理前后微铜管时的内部摩擦阻力系数f。研究发现,内壁面的超疏水性处理显著降低了微管内的流动阻力,且该影响随微管内径的增加而增大,实验范围内流动阻力系数最大降幅达29.08%。超疏水涂层使得微管内的流动转捩现象出现滞后,且转捩Re随微管管径增加而略有增大。     

一步水热法构筑镁合金超疏水表面及其性能研究

利用一步水热法在镁合金表面构筑了超疏水表面.通过扫描电子显微镜(SEM)、傅里叶变换红外(FT-IR)、X射线光电子能谱分析(XPS)、X射线衍射(XRD)、接触角测量仪对其表面形貌、组成和润湿行为进行了研究,采用电化学极化曲线测试对超疏水涂层的耐腐蚀性能进行了考察.结果表明,一步水热法构筑的镁合金超疏水涂层由微/纳米二级结构组成,最优条件下改性表面接触角和滚动角分别为163.3°和2.8°,具有良好的耐腐蚀性能、耐酸碱性能和稳定性.     

锌基底上超疏水表面的制备

采用硝酸为刻蚀剂、CS2与液体石蜡的混合溶液为疏水剂,经简单处理在锌基底上构建了微纳米结构,通过SEM,XRD等进行了结构表征和疏水性能测试．结果表明锌表面经过硝酸溶液刻蚀处理后具有了树立的不规则排列的片状结构,形成了一个阶层,表面上的阶层结构对超疏水性起到了一个关键的作用．     

双疏水表面润湿和传热动力学研究

为实现润湿图案化的超疏水表面在航空电子设备散热中的应用,本文对液滴撞击双疏水表面(具有疏水性图案的超疏水基质)的润湿行为和传热特性进行了分析.通过使用高速相机和红外相机,我们获取了液滴铺展和回退阶段的动力学以及表面温度和热流量的相应空间分布.本文研究了液滴撞击超疏水、疏水和双疏水表面上的动态润湿和局部传热的差异.此外,本文还分析了表面温度和撞击高度对液滴撞击过程的影响.结果表明,所有表面在铺展阶段都具有相同的润湿特性和相似的传热行为.表面温度变化并不能对铺展阶段表面润湿特性产生较大的影响,液滴铺展时间与表面温度和撞击高度无关.在回退阶段,表面润湿特性的差异使得三个表面之间的传热特性明显不同.双疏水表面特殊润湿特性使得回退阶段液膜的接触线速度存在跳变现象,形成了许多小液滴,增加了接触面积,同时又兼具了超疏水表面的回弹特性.     

On the measurement of slip length for liquid flow over super-hydrophobic surface

To design a surface with large slip or larger drag reduction is a pop issue in the fields of liquid transporting and body swimming. In this context, it is a crucial problem to measure the slip length for these surfaces. Here we propose a novel method by using rheometer for this objective. This method is implemented by designing the distribution of the super-hydrophobic area on the sample. Using this method, a slip length of 40 μm for 70 wt% glycerin flow over a super-hydrophobic surface with stripe structure （the period, width and height of ridges are 150 μm, 40 μm and 65 μm, respectively） is measured. The result shows that the slip length measured using this method is in good agreement with former results measured by other methods. This method is fit for measuring the slip length of super-hydrophobic surface whose structure ranges from microto nano-scale.     

并联管组流动特性的数值模拟

利用FLUENT软件,对并联管组流动特性进行数值模拟,并与实验结果进行了对比.数值模拟计算分析了进口流量和支管长度对流量分配的影响.在湍流的状态下,为了使流量分配得更加均匀,可以尽量减小进口速度,增加支管长度.     

矩形微通道内滑移区气体流动换热的数值模拟

在等壁温边界条件下对矩形微细通道速度滑移区的对流换热进行了二维数值模拟、在一阶速度滑移和温度跳跃的边界条件下，计算出了通道内的速度和温度以及压力分布。比较了不同克努森数Kn对于滑移速度和跳跃温度的影响。结果表明，由于气体的稀薄性，压力呈现更加线性化减小的趋势，随着Kn的增加，通道入口与出口处的滑移速度和跳跃温度至现增加的趋势。在通道入口附近，气流速度和温度变化剧烈，而在出口处截面平均流速和温度随加的增加而降低．     

加长型环形水槽水流特性的数值模拟

由直槽及半环形水槽组成的加长型环形水槽被用来研究水流的三维水力特性。水流由位于水面的运动固体盖拖曳而产生运动。采用ADV测速仪对水流动力学特性进行物理观测，并采用美国Fluent公司的标准化CFD计算软件对水流进行了三维数值模拟。研究表明，在弯段有明显的二次流，水槽外侧流速大于内侧，且由于对流作用，弯段下游的直段水槽内水流也呈类似分布，但随着流程的增加，流速沿横向分布趋于均匀，与单一环形水槽相比，加长型环形水槽由于直段内水流结构相对简单，可以更好地用于泥沙动力学研究。     

玻璃质微通道流动阻力特性的数值模拟

针对湿法刻蚀玻璃微通道截面具有圆角形状的特性,采用Fluent6.3软件,对以水为介质的圆角形微通道内的流动特征进行数值计算研究。基于层流流动模型,对不同雷诺数Re、不同形状因子下圆角形微通道的流动压降进行数值模拟;通过结果整理与分析,拟合圆角形微通道Poisueille数Po随截面形状因子α变化的经验公式,即Po=10.161 1-2.408 5α+0.166 0α2+0.480 9α3-0.197 9α4+0.023 4α5;对此经验公式在不同微通道截面和不同黏度流体流动条件下的适应性进行了验证。研究结果表明:雷诺数与截面形状对圆角形微通道流动压降有很大影响;当截面宽度一定时,压降随雷诺数和形状因子的增大而增加;在所研究的雷诺数范围内,圆角形微通道Poiseuille数不随雷诺数的变化而变化,而随截面形状因子的增大而减小;当雷诺数0.01≤Re≤40、截面形状因子0.4≤α≤3.2时,本文中介绍的圆角形微通道阻力系数经验公式均适用。     

圆柱绕流水动力学特性的数值模拟

应用计算流体动力学软件FLUENT对低雷诺数(Re)(Re≤300)下圆柱绕流问题进行数值模拟。采用分区结构化网格及层流模型求解不可压缩Navier-Stokes方程,在未施加任何扰动的条件下获得了圆柱绕流2种特殊的绕流场,系统分析了壁面压力系数、平均阻力系数、脉动阻力、升力系数及旋涡脱落频率等水动力学特性参数随Re数变化的规律,结果与实验研究吻合较好。     

泵站开敞式进水池流动特性数值模拟

为深入研究开敞式进水池的内部流态,基于定常不可压流体的控制方程和重整化群(RNG)湍流模型,采用CFD技术,通过SIMPLEC算法,计算其三维流动,获得整体流场结果,揭示了泵站进水池水流运动规律.研究表明,进水池内流动可分为进水池直段、喇叭口吸水和进水管内流动3个阶段,各阶段的流动特征不同.在进水池喇叭管的下方、进水池水面附近吸水管靠后壁处、进水池两个边角及侧边壁下方靠近底部处等区域是易形成旋涡的主要位置,须采用措施进行预防.     

基于FTM的双液滴流动特性数值模拟

基于界面追踪法（Front-Tracking Method,FTM）建立了重力场中多个气液界面间相互耦合的数值模型。以两个液滴的自由落体运动为研究对象,在不同Reynolds数(Re)、Eotvos数(Eo)和液滴初始中心距的情况下进行数值分析。研究结果表明：当液滴初始中心距较大(Lc/D≥4)时,两个液滴间的相互作用很小,对液滴的变形和运动过程不产生影响,而此时液滴的运动特性由Re数和Eo数决定;当液滴初始中心距较小(Lc/D=2)时,液滴在下落过程中的变形是不对称的,并且液滴会相互排斥,在大 Re数和Eo数时,这种现象更加明显。     

仿生二级微沟槽表面减阻特性数值模拟

快速游动的鲨鱼,其皮肤表面布满沿流动方向的沟槽,这种沟槽能够减小鲨鱼游动过程中的阻力。通过仿生技术人们设计了一系列具有单一尺度的沟槽结构,如V型、L型、U型等(定义为原始沟槽),并获得了一定的减阻效果。然而通过仔细观察,发现鲨鱼皮肤表面的沟槽并非是单一尺度的。根据这一启发,通过在原始V型沟槽顶部两侧增加小尺度三角形突起,设计了一种二级沟槽表面。利用RNGk-ε湍流模型,对原始V型沟槽和二级沟槽表面进行了流场分析。讨论了在不同雷诺数的情况下,两种沟槽壁面对湍流边界层内速度分布、沟槽壁面切应力及减阻效果的影响。计算结果表明,在一定雷诺数范围,原始V型沟槽最佳减阻4.6%,二级沟槽结构最佳减阻8.07%,二级沟槽减阻效果明显优于原始V型沟槽。二级沟槽表面能够更有效地抑制边界层内湍流流动,减小了流体流动的黏性阻力,具有更好的减阻效果。     

超声速旋流天然气分离器的旋流特性数值模拟

与传统的低温分离工艺相比，超声速旋流天然气分离器是天然气处理工艺技术的一大创新。在超声速旋流天然气分离器中，气流经过拉伐尔喷管绝热膨胀形成带液滴的超声速低温混合气流，在超声速翼的作用下混合气流由轴流转换成旋流，实现超声速旋流分离。超声速翼是实现气液分离的关键部件。设计了三角薄板型超声速翼，并利用CFD软件对超声速翼段内气流温度、压力、马赫数等特性参数的变化规律和翼段沿主流方向切向速度的变化情况进行了分析。结果表明，在所设计的超声速翼段内，气流能始终保持超声速，翼段出口马赫数为1．4，翼前无激波产生；分离器的旋流加速度最高在572000g，可实现良好的超声速气液旋流分离。