亲疏水相间表面气膜形态对流场和减阻的影响

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1、摘要超疏水表面利于在壁面封存气膜，产生流动滑移，是一种潜在的兼具防污功能的高效减阻方法，未来有望广泛应用于海洋工程和其它相关领域。现有研究表明，超疏水表面水下减阻效果主要来自其表面附着的微气膜，但在来流作用下该气膜会流失破坏，从而导致减阻失效甚至增阻。论文针对该减阻失效问题，结合试验测试和理论分析，在对比两种超疏水表面气膜维持方法的基础上，重点研究了基于亲疏水相间结构维持水下固体表面厚尺度气膜的方法，实现了超疏水表面水下减阻效果的显著提升。所取得的主要研究成果包括：（1）观测了水流作用下超疏水平板表面由“Cassie”接触态过渡到“Wenzel”接触态的动态过程，研究了基于气体动

2、态补充的超疏水表面气膜维持方法，并通过分析边界层流场PIV测试结果，初步总结出该气膜维持方法的减阻机理。（2）基于润湿梯度束缚三相接触线原理，提出一种利用亲疏水相间结构来构造局部润湿阶跃，从而实现水下厚尺度气膜有效封存的方法，并通过在旋转圆柱表面构造亲疏水相间环形条带，成功实现圆柱表面气环的稳定封存。（3）研究了亲疏水相间圆柱表面连续和间断气环的静态与动态稳定性，以及气环最大储气量，提出了影响气环溶解和剪切破坏的主要因素，并总结出气环的两种主要失效形式。（4）利用粘度计测试了气环厚度和宽度对减阻率的影响规律，总结了气环对内转子无量纲扭矩随雷诺数变化的影响规律，并通过分析不同状态下

3、间隙流动中的动量交换过程，对气环的减阻机理进行了合理解释。（5）测试了亲疏水相间圆柱表面驻留不同长度和厚度的间断气环时的减阻规律，分析了间断气环引起阻力变化的原因，并通过凹转子表面间断气环试验，进一步证实气液界面有限滑移速度的存在。论文在基于亲疏水相间结构维持固体表面稳定减阻气膜方面的研究工作，为后续解决水下超疏水表面气膜剪切破坏问题提供了新技术途径。关键词：减阻，亲疏水相间，圆柱，气环，稳定性IABSTRACTSuperhydrophobicsurface,asapassivewayofdragreduction,isantifoulingandcanreduceflownoi

4、seunderwater.Ithasbeenwidelyinvestigatedinthepasttwodecades,andtheresultsshowthatthedragreductioneffectofthesuperhydrophobicsurfaceisbecauseoftheairlayeronit.However,theairlayerwillbebrokenundercertainconditionswhichleadstothefailureofitsdragreduction.Aimingatsustainingthedragreductionofthesu

5、perhydrophobicsurface,twowaysofmaintainingtheairfilmonthesuperhydrophobicsurfacearetestedinthisstudy.Moreover,thewayofusingalternanthydrophilicandsuperhydrophobicsurfacestomaintainthickairlayerunderwaterwhichlargelyincreasesthedragreductioniswellinvestigated.Themaincontentsandresultsofthisstu

6、dyareasfollows:(1)Thetransitionofthesuperhydrophobicsurfacefrom“Cassie”stateto“Wenzel”stateiscapturedbasedonaflatplateflow.Thewayofmaintainingairfilmonthesuperhydrophobicsurfacewithairinjectionhasbeenstudied.ByanalyzingthePIVresultsoftheplateflow,thedragreductionmechanismisobtained.(2)Basedon

7、theconfinementofthethree-phasecontactlinebythewettabilitygradient,anovelwayofmaintaininglargescaleairlayerunderwaterusingalternanthydrophilicandsuperhydrophobicsurfaceshasbeenproposed.Annularthickairlayersareformedonthesurfaceofarotatingcylin