超疏水表面流场特性及减阻规律的数值仿真研究

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第18卷第1-2期船舶力学Vo1．18No．1—22014年2月JournalofShipMechanicsFeb．2014文章编号：1007—7294(2014)01—0001—11超疏水表面流场特性及减阻规律的数值仿真研究黄桥高，潘光，宋保维，刘占一，胡海豹(西北工业大学航海学院，西安710072)摘要：在建立超疏水表面流场数值仿真模型的基础上，对具有微观形貌的超疏水表面在湍流状态下的流场特性和减阻规律进行了仿真研究。仿真结果显示，超疏水表面气液界面处产生了显著的滑移流动，微观形貌附近出现了成对的流向涡。这些因素共同抑制了湍流脉动，降低了各向雷诺应力，减少了流动能量损失，从而使超疏水表面产生减阻效果；超疏水表面减阻量随自由剪切面积比的增大而增大，随形貌周期的增大而增大，且减阻效果与滑移之间存在定性的关系，滑移越大，减阻效果越好。关键词：超疏水表面；微观形貌；流场结构；滑移；减阻规律中图分类号：0357．1文献标识码：Adoi：10．3969~．issn．1007—7294．2014．h1．001Numericalsimulationofsuperhydr0ph0bicsurface’SflowfieldcharacteristicanddragreductionruleHUANGQiao-gao，PANGuang,SONGBao-wei，LIU吼—，HUHal—bao(CollegeofMarine，NorthwesternPolytechnicalUniversity，Xi’an710072，China)Abstract：Basedonthenumericalsimulationmodelofsuperhydrophobicsurfacesflowfield，theflowfieldcharacteristicsandthedragreductionlawarestudiedwithsuperhydrophobicsurfaceswiththemicrocos—mictopographyinturbulence．Theresultsshowthattheprominentslipflowsonthegas-liquidinterfaceandtheconjugatedstreamwisevortexnearthemicrocosmictopographyofsuperhydrophobicsurfacesappear．Thesefactorsinhibittheturbulentfluctuation，reduceReynoldsstressandenergylosstogether,SOthatthesuperhydrophobicsurfacesgeneratedragreductioneffect；thedragreductionofsuperhydrophobicsurfacesincreaseswiththeincreaseofthefreesheararearatiosandincreaseswiththeincreaseofthetopographyperiods．Thereisaqualitativerelationshipbetweenthedragreductionandtheslip，namelythegreaterslip，thebetterdragreductioneffect．Keywords：superhydrophobicsurfaces；microcosmictopography；flowfieldstructure；super-hydrophobic；slip；dragreductionlaw1引言超疏水表面是指液滴表观接触角大于150。且具有较小滚动角的固体表面，表面微观形貌是决定固收稿日期：2013—09—10基金项目：国家自然科学基金(51279165、50835009、51109178)；高等学校博士学科点专项科研基金(20116102120009)；陕西省自然科学基础研究计划(2010JQ1009)作者简介：黄桥高(1983-)，男，西北工业大学博士研究生，E-mail：hunagqiaogao_l@163．corn；潘光(1969一)，男，西北工业大学教授，博士生导师。 第1—2期黄桥高等：超疏水表面流场特性及减阻规律的⋯3鲁+鲁+鲁一古等+古吾鲁)+10—，()+古善詈)-0,7十-~+a7w一吉鲁+吾)+la—，(0w--r-w／古軎)式中，一U-,一V、表示湍流速度的时均值，，．-tO—ttPW—l、，-p—Ur—UI、和为雷诺应力张量。湍流状态下选择Reynolds应力方程湍流模型，简称RSM，是ReynoldsStressequationModel的缩写该湍流艨利的且体嘉扶式为．a(puku~uj)Ot+。ax=去ax＼ax警axH，lJ＼弼卺孵／C1p}(弼一蛾)一c(一号)一争哦+=毒+1c+篙=南[+)鸶]+c丢c+G一P其中：第一个方程为Reynolds应力输运方程，后两个分别为方程和方程。式中，是剪应力产生，项；G是浮力产生项，对于不可压缩流体，G=0是湍动粘度，按下式k计算。c，，，，为常数，取值分别为：c=1．44，c=1．92，c=o．09，=0．82，=1．0。Reynolds应力方程湍流模型属于高e数湍流计算模型，在固体壁面附近，由于分子粘性的作用，湍流脉动受到阻尼，尺e数很小，上述方程不再适用。因此，在近壁面区域采用壁面函数法进行计算。2．3边界条件和初始条件计算域中，左侧壁面为速度人口；右侧壁面为压力出口；上壁面设置为对称边界条件，以减少计算量；下壁面具有微观形貌，用以模拟超疏水表面。为使计算域中的流动达到充分发展，作者对入口边界赋予已充分发展的速度分布。该速度分布是通过对一段足够长的沿流动方向的区域进行计算而得到的，如图4所示。图4湍流状态入口速度分布图5初始状态时气液交界面Fig．4InletvelocitydistributioninturbulentFig．5Gas—liquidinterfaceintheinitialstate初始状态时，假设槽内充满空气，即气液交界面为一条与槽顶部平齐的直线。图5为初始状态时的气液交界面，黄色区域表示空气，红色区域表示水。本文研究的是一个气液两相流问题，可以采用流体体积模型(VOF)来跟踪界面进行求解。 第1—2期黄桥高等：超疏水表面流场特性及减阻规律的⋯51．4^世量一≈65432101．2一瑚、日一≈654一∞3l)654321O1．00．8蛊0．60．40．2O_o．O100．010．02_y(mil1)a．边界层速度分布b．近壁区速度分布图9凹坑内不同位置处速度分布(a=20m、d=lOm)Fig．9Velocitydistributionwithinthepitatdiferentlocations(o~2oIxm、d=lOm)a．边界层速度分布b．近壁区速度分布图10肋台面上不同位置处速度分布(a=lOIxm、d=lOm)Fig．10Velocitydistributiononribtableatdiferentlocations(a=lOIxm、d=lOln)(11111)a．边界层速度分布b．近壁区速度分布图11肋台面上不同位置处速度分布(a=2om、d=lOm)Fig．11Velocitydistributiononribtableatdiferentlocations(a=20la,m、d=lOm)3．2超疏水表面气液交界面速度分布为了更直观地观察超疏水表面的滑移流动，图12给出了超疏水表面气液交界面处的速度分布。从图中可以看到超疏水表面凹坑处的滑移流动和肋台面上的无滑移流动交错分布，且气液交界面处的速度分布具有明显对称性，速度最大值出现在气液交界面的中点，a=lOtxm、d=lOp,m和a=20p,m、d=lOm超疏水表面的气液交界面速度最大值分别为0．44m／s和0．79m／s。 6船舶力学第l8卷第1-2期O·8。·40·6。．3，、薹0．40．2。．1000．160．170．180．190．2=(ram)=(nun)a．a=10m、d=lOmb．a=20m、d=lOIxm图12气液交界面处速度分布Fig．12Velocitydistributiononthegas—liquidinterface3．3超疏水表面湍动能和湍流耗散率分布图13和图14分别为超疏水表面的湍动能分布和湍流耗散率分布。超疏水表面湍动能分布趋势与普通光滑表面一致，均沿垂直壁面方向呈先增大后减小的变化规律，但超疏水表面的湍动能明显低于普通光滑表面，a=10txm、d=lOm和a=20m、d=10Ixm超疏水表面的湍动能最大值相比普通光滑表面分别降低了17．2％和32．9％，表明超疏水表面起到了抑制湍流脉动，降低湍动能的作用。a．a=10tLm、d=lOmb．a=20Ixm、d=10Ixm图13超疏水表面湍动能分布Fig．13Turbulentkineticenergydistributionofsuperhydrophobicsurfacesa．a=10Ixm、d=10Ixmb．o,=20Ixm、d=10Ixm图l4超疏水表面湍流耗散率分布Fig．14Turbulentdissipationratedistributionofsuperhydrophobicsurfaces 第1-2期黄桥高等：超疏水表面流场特性及减阻规律的⋯7在近壁区，超疏水表面b位置处湍流耗散率低于普通光滑表面，而在．厂位置处则相反，这是由于肋台面上分子粘性作用更明显，湍流动能转化为分子热运动动能的速率更大。3．4超疏水表面涡量分布图15为超疏水表面的涡量分布。沿垂直壁面方向，超疏水表面涡量先增大后减小，分布趋势与普通光滑表面一致，但在近壁区，b位置处涡量小于普通光滑表面厂位置处涡量高于普通光滑表面，表明自由剪切面有抑制涡量的作用，而肋台面则有增强涡量的作用。自由剪切面和肋台面交替出现，相互影响，共同决定了超疏水表面的减阻效果。a．o=10Ixm、d=lOIxmb．o=20m、d=lOm图15超疏水表面涡量分布Fig．15Vorticitydistributionofsuperhydrophobicsurfaces3．5超疏水表面雷诺应力分布图l6～19分别为超疏水表面方向、Y方向和方向雷诺正应力分布和雷诺剪应力分布。从图中可以看出，普通光滑表面和超疏水表面的各向雷诺正应力以及雷诺剪应力分布均呈先增大后减小的变化规律，超疏水表面凹坑处和肋台面处曲线基本重合；在近壁区，相比普通光滑表面，超疏水表面的各方向雷诺正应力和雷诺剪应力均有所降低，进一步说明了超疏水表面降低了近壁区的湍流脉动，使流动更加安静。邑一a．a=lOIxm、d=10Ixmb．a=20txm、d=10Ixm图16普通光滑表面和超疏水表面方向雷诺正应力分布Fig．16ReynoldsnormalstressdistributionindirectionofsmoothsuYfacesandsuperhydrophobicsurfaces雷诺正应力“、Y'V和表征各方向速度脉动剧烈程度，雷诺正应力的减小意味着湍流脉动的减弱和流动能量损失的减少；雷诺剪应力一理论上可解释为通过垂直于Y轴平面的方向动量的输送，当Y方向的动量交换减弱时，方向的动量输送就顺畅。湍流流动中，流向雷诺正应力u通过雷诺剪应力一与湍流中的平均运动相互作用并从其中获取湍动能，这种湍动又通过二阶关联传递给 8船舶力学第18卷第1-2期法向雷诺正应力。因此，雷诺剪应力的减小与流向和法向脉动的降低有明显的联系，以上结果也证明了这一点。a．a=10m、d=10Ixmb．a=20m、d=10m图17普通光滑表面和超疏水表面Y方向雷诺正应力分布Fig．17ReynoldsnormalstressdistributioninYdirectionofsmoothsurfacesandsuperhydrophobicsurfacesa．a=lOm、d=10I．Lmb．a=20Ixm、d=lOm图18普通光滑表面和超疏水表面z方向雷诺正应力分布Fig．18ReynoldsnormalstressdistributioninzdirectionofsmoothsurfacesandsuperhydrophobicSurfacesa．a=lOm、d=10Ixmb．a=20Ixm、d=10m图19普通光滑表面和超疏水表面雷诺剪应力分布Fig．19Reynoldsshearstressdistributionofsmoothsurfacesandsuperhydrophobicsurfaces3．6超疏水表面的流向涡结构进一步研究湍流状态下超疏水表面的流场结构，发现在垂直流动方向的截面上产生了流向涡，如图2O所示。从图中可以观察到，每个凹坑的上方，均有一对大小相当、旋转方向相反的流向涡，流向涡 第1—2期黄桥高等：超疏水表面流场特性及减阻规律的·9的中心线位于凹坑中央，而两侧的边界位于肋台面的中央，即流向涡的尺寸决定于超疏水表面微观形貌的尺寸。通过以上对超疏水表面湍流流场特性的分析，可以认为，正是流向涡的出现改变了超疏水表面近壁区流场结构，抑制了湍流脉动，降低了各向雷诺应力，减少了流动能量损失，从而使超疏水表面产生减阻效果。I。⋯⋯_：Ⅲ-：u-⋯■507e。jl『1f’一”l_-“0’。Jll⋯一n一a．a=10m、d=10mb．a=20m、d=10m图20超疏水表面y截面速度矢量Fig．20Velocityvectorony-zsectionofsuperhydrophobicsurfaces4超疏水表面的减阻规律4．1自由剪切面积比对减阻特性的影响为了分析自由剪切面积比对超疏水表面减阻特性的影响，本文对具有不同自由剪切面积比的超疏水表面阻力特性进行了数值模拟。表1为计算模型中超表1超疏水表面微观形貌的尺寸疏水表面微观形貌的尺寸，计算中取雷诺数Re=10000。Tab．1Magnitudeofsuperhydrophobic图2l为超疏水表面气液交界面处速度随自由剪切surfacesmicrocosmictopography面积比的变化曲线。由图可见，随着自由剪切面积比的增大，超疏水表面气液交界面处速度越来越大，即滑移流动越明显。受其影响，超疏水表面减阻量也随自由剪切面积比的增大而增大，如图22所示。对于m=30m的超疏水表面，从0．33增加到0．9时，减阻量增加量为28．84％，减阻量最大值为33．52％；对于m=50m的超疏水表面，J8从0．33增加到0．9时，减阻量增加量为29．86％，减阻量最大值为37．54％。可见，在湍流状态下，超疏水表面表现出显著的减阻效果。0．80．60·8一一邑薹0．60．4≈0．40．20．2O0z(ram)：(1TIl1)a．m=30mb．m=50m图2l超疏水表面气液交界面速度随自由剪切面积比变化曲线Fig．21Velocitycurvesongas—liquidinterfaceVS．thefreesheararearatios 10船舶力学第18卷第l一2期4．2形貌周期对减阻特性的影响为了分析形貌周期对超疏水表面减阻特性的影响，本文对形貌周期分别为m=10Ixm、20txm、30Ixm和50txm的超疏水表面阻力特性进行了数值模拟，计算中取雷诺数Re=10000。图23为超疏水表面气液交界面处速度随形貌周期的变化曲线，清楚地显示了形貌周期对超疏水表面滑移流动的影响。各条曲线的形貌周期不一样，为便于比较，对图中横坐标进行了无量纲化处理。可以发现，形貌周期增大时，曲线越来越突兀，气液交界面速度越来越大，滑移也就越明显。此图22减阻量随自由剪切面积比变化曲线外，超疏水表面减阻量也随形貌周期的增大而增大，如图24Fig．22DragreductionCHIVESVS．thefreeshear所示。arearatios，o】仁∞∞a．／3=0．5b．卢=O．67e．卢=0．8图23超疏水表面气液交界面速度随形貌周期变化曲线Fig．23VelocityCHIVesongas—liquidinterfaceVS．thetopographyperiods5结论本文对具有微观形貌的超疏水表面在湍流状态下的流场特性和减阻规律进行了数值仿真，获得了超疏水表面的流场结构和减阻规律：(1)超疏水表面对近壁区流场结构具有明显影响，气液界面处产生了显著的滑移流动现象；(2)微观形貌的存在促使流向涡对的出现，抑制了湍流脉动，降低了各向雷诺应力，减少了流动能量损失，从而使超疏水表面产生减阻效果；(m)(3)微观形貌的尺寸对超疏水表面减阻效果具有显著图24减阻量随形貌周期变化曲线影响，减阻量随自由剪切面积比的增大而增大，随形貌周期Fig．24DragreductioncuIVesvs．the的增大而增大，且减阻效果与滑移之间存在定性的关系，滑topographyperiods移越大，减阻效果越好。参考文献：[1]WatanabeK，Yanuar，UdagawaH．DragreductionofNewtonianfluidinacircularripewithahighlywater-repellentwalllJ1．JournalofFluidMechanics，1999，381：225—238． 第1-2期黄桥高等：超疏水表面流场特性及减阻规律的··11[2]FukudaK，TokunagaJ，NobunagaT，eta1．Frictionaldragreductionwithairlubricantoverasuper—waterrepellentSUE—face[J1．JournalofMarineScienceandTechnology，2000，5(3)：123-130．[3】LaugaE，StoneH，A．Effectiveslipinpressure-drivenStokesflow[J]．JournalofFluidMechanics，2003，489：55—77．f4]OuJ，RothsteinJP．Directvelocitymeasurementsoftheflowpastdrag-reducingulfahydrophobicsurfaces[J]．PhysicsofFluids，2oo5，17(1o)：103606．[5】OuJ’PerotB，RothsteinJP．LaminardragreductioninmicrochannelsusingultrahydrophobicsurfacesIJ]．PhysicsofFlu—ids，2004，16(12)：4635-4643．[6】ChoiCH，KimCJ．Largeslipofaqueousliquidflowoverananoengineeredsuperhydrophobicsurface[J]．PhysicalRe—viewLetters，2006，96(6)：066001．[7]ZhaoJiapeng，ShiXiuhua，GengXingguo，eta1．Liquidslipoversuperhydrophobicsurfaceanditsapplicationindragre—duction[J]．JournalofShipMechanics，2009，13(3)：325—330．[8]禹营，汪家道，陈大融．超疏水表面的摩擦阻力特性研究[J]．润滑与密封，2006，9：15—20．[9]吕田，陈晓玲．超疏水性圆管湍流减阻的数值模拟[J]．上海交通大学学报，2009，43(8)：1280-1283．