陳正云張清福潘翀劉彥鵬蔡楚江

1．上海外高橋造船有限公司,上海 200137;2．北京航空航天大學(xué) 航空科學(xué)與工程學(xué)院,北京 100191;3．北京航空航天大學(xué)寧波創(chuàng)新研究院 先進(jìn)飛行器與空天動(dòng)力技術(shù)創(chuàng)新研究中心,浙江 寧波 315800

0 引 言

在全球氣候變化加劇、節(jié)能減排需求大增的背景下,如何減少水下及水面船只、艦艇的航行阻力從而提高能量利用率變得愈發(fā)重要[1-2]。對(duì)摩擦阻力占總阻力的50%～70%的水下/水面航行體而言,降低其湍流邊界層的摩擦阻力是減阻的主要任務(wù)[3]。水下/水面航行體繞流湍流邊界層的特征雷諾數(shù)很高、流動(dòng)特性復(fù)雜且影響因素眾多,傳統(tǒng)的減阻流動(dòng)控制技術(shù)主要為壁面微抽吸、柔性壁面、壁面溝槽[4-6]、高分子聚合物[7-8]等[3,9]。近年來(lái),具有表面滑移特性的超疏水材料,被證實(shí)具備減少流動(dòng)摩擦阻力的能力,因此受到廣泛關(guān)注[1-2,10-13]。

超疏水表面通過(guò)減小液滴與固壁的接觸角滯后來(lái)提高液滴的滾動(dòng)性。在Cassie-Baxter狀態(tài)下,超疏水表面的微結(jié)構(gòu)及較低的表面能會(huì)使其在固-液界面中間形成一層很薄的氣膜層,此時(shí)流動(dòng)摩擦阻力的減少主要來(lái)自于介質(zhì)替換,即將壁-液接觸面替換為氣-液接觸面,水在氣膜層上方滑移,僅只受到較小的阻力,在宏觀上表現(xiàn)為一定的滑移長(zhǎng)度。大量研究表明,Cassie-Baxter狀態(tài)下的氣膜層處于亞穩(wěn)態(tài)[11,14-17],氣膜層會(huì)受到流體剪切、湍流脈動(dòng)、壓力和氣體溶解度等因素的影響而逐漸脫附,最終變成表面被完全浸潤(rùn)的Wenzel狀態(tài),由此喪失減阻效果,甚至因?yàn)楸砻嫖⒔Y(jié)構(gòu)引起的額外粗糙度而增加阻力。因此,如何提高氣膜層的穩(wěn)定性、延緩氣膜的脫附,成為制約超疏水表面減阻技術(shù)走向?qū)嶋H工程應(yīng)用的一個(gè)重要瓶頸問(wèn)題。

已有研究表明,通過(guò)超疏水表面微結(jié)構(gòu)的形貌設(shè)計(jì)[2,18-21]、表面加工工藝的改變[22]以及主動(dòng)(或半主動(dòng))補(bǔ)氣[23-27]等方式,可以有效的提高氣膜穩(wěn)定性,從而延緩減阻效果的消失,甚至進(jìn)一步提高減阻效果。但是,大多數(shù)的氣膜穩(wěn)定性研究是在靜態(tài)或者較低的流動(dòng)雷諾數(shù)下進(jìn)行的,針對(duì)較高雷諾數(shù)條件的氣膜穩(wěn)定性的研究還相對(duì)較少。本文將在馮卡門(mén)旋流(Von Kármán swirling flow)中實(shí)驗(yàn)研究雷諾數(shù)對(duì)超疏水旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)減阻特性的影響,實(shí)驗(yàn)的雷諾數(shù)在105量級(jí)。進(jìn)一步的,將在臨界失效狀態(tài)下,通過(guò)脈沖通氣的方式來(lái)研究超疏水表面形貌對(duì)氣膜穩(wěn)定性的影響以及氣膜層恢復(fù)到Cassie-Baxter狀態(tài)的能力。

1 實(shí)驗(yàn)方法與設(shè)備

下面對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置、超疏水表面制備工藝和實(shí)驗(yàn)方案分別進(jìn)行說(shuō)明。

1.1 馮卡門(mén)旋流實(shí)驗(yàn)臺(tái)

實(shí)驗(yàn)選擇馮卡門(mén)旋流作為背景流場(chǎng),其在自然界與工業(yè)中較為常見(jiàn),也是流體力學(xué)基礎(chǔ)研究中的一個(gè)重要的簡(jiǎn)化模型[28]。馮卡門(mén)旋流由兩個(gè)法向間距H、分別以Ω和Γ的恒定轉(zhuǎn)速對(duì)心旋轉(zhuǎn)的無(wú)限大圓盤(pán)產(chǎn)生[28-32]。旋轉(zhuǎn)流動(dòng)由旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)通過(guò)黏性驅(qū)動(dòng)[29],流體反作用于旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)的總扭矩T反映了圓盤(pán)所受的總摩擦阻力。據(jù)此可精確測(cè)量出旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)的平均摩擦阻力系數(shù)Cf(Cf＝T/ρΩ2r5,其中,T為扭矩,ρ為流體密度,r為旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)半徑,Ω為圓盤(pán)的旋轉(zhuǎn)角速度)。通過(guò)改變轉(zhuǎn)速即可改變馮卡門(mén)旋流的特征雷諾數(shù)Re(Re＝Ωr2/ν,其中ν為流體的運(yùn)動(dòng)黏度)。

在實(shí)際模擬中,旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)只有有限尺寸,且一般采用靜盤(pán)加轉(zhuǎn)盤(pán)的組合方式。Brady和Durlofsky研究了馮卡門(mén)旋流存在的兩種有限圓盤(pán)近似解,分別為圓柱形水槽半徑大于兩倍旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)半徑的開(kāi)放流場(chǎng)和旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)與水槽半徑相當(dāng)?shù)姆忾]流場(chǎng)[28]?？紤]到側(cè)邊界條件對(duì)穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)有較大影響,本文選用開(kāi)放流場(chǎng)作為背景流動(dòng),實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示,其包含一個(gè)半徑R＝300 mm、高h(yuǎn)＝300 mm的圓柱形亞克力水槽,水槽上端安裝壓水板以消除自由液面的影響;一個(gè)厚度6 mm、半徑r＝150 mm(r＝)的有機(jī)玻璃圓盤(pán)作為旋轉(zhuǎn)盤(pán)。旋轉(zhuǎn)盤(pán)距離水槽底部H＝180 mm(r/H＝0．83),距離水槽頂部壓水板下表面70 mm,水槽底部作為靜盤(pán)使用。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 Experimental facility diagram

旋轉(zhuǎn)盤(pán)由一套伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行控制驅(qū)動(dòng),組件包括最大扭矩為15 N·m且平均轉(zhuǎn)速精度為0．2%的伺服電機(jī)(一川130ST-M15015)、驅(qū)動(dòng)器(一川A1-SVD-30A)和控制器(奕標(biāo)DKC-Y110),通過(guò)調(diào)整控制器的脈沖頻率進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制。圓盤(pán)扭矩由量程為1 N·m、精度為0．001 N·m的扭矩傳感器(INTARFACE T2-1-A1A)進(jìn)行測(cè)量,其通過(guò)軟式彈簧聯(lián)軸器與上下端轉(zhuǎn)軸相連,搭配使用數(shù)據(jù)采集卡(耐創(chuàng)FC-DAQ)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集,采樣頻率為2000 Hz。對(duì)測(cè)量得到的扭矩時(shí)序信號(hào)進(jìn)行銳截距濾波,濾除超過(guò)旋轉(zhuǎn)頻率的高頻信號(hào),只保留低頻大尺度成分。測(cè)量得到的平均扭矩需要扣除軸承、聯(lián)軸器等帶來(lái)的附加扭矩,后者可由圓盤(pán)在空氣中以相同轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)受到的扭矩來(lái)近似。在進(jìn)行脈沖通氣實(shí)驗(yàn)時(shí),通過(guò)增氧泵(藍(lán)寶AP-120)連接4個(gè)圓柱形氣石進(jìn)行補(bǔ)氣,增氧泵由繼電器進(jìn)行可編程的開(kāi)閉控制,氣石放置在轉(zhuǎn)盤(pán)正下方。

本文實(shí)驗(yàn)中,伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速在Ω＝60～270 r/min范圍內(nèi)可調(diào),對(duì)應(yīng)的特征雷諾數(shù)在Re～O(105)量級(jí)。由下文可知,在此雷諾數(shù)范圍內(nèi),馮卡門(mén)旋流從層流向湍流轉(zhuǎn)捩。

1.2 超疏水材料制備

本文實(shí)驗(yàn)采用物理噴涂法制備超疏水表面。制備示意圖如圖2(a)所示,首先在光滑的有機(jī)玻璃平板上均勻噴涂丙烯酸酯樹(shù)脂作為基底粘附層,然后噴涂經(jīng)全氟癸基三乙氧基硅烷處理后的納米SiO2顆粒,形成具有微-納二級(jí)粗糙度的表面微結(jié)構(gòu)層,從而得到超疏水表面。該方法由于噴涂了丙烯酸酯樹(shù)脂粘附層,其制備的超疏水表面具有良好的機(jī)械強(qiáng)度和穩(wěn)定性[22]。經(jīng)動(dòng)態(tài)接觸角測(cè)試儀(軒軼創(chuàng)析XGCAMC33)測(cè)量,所制備的超疏水表面平均接觸角為153．8°,滾動(dòng)角為1．8°,滿足超疏水表面接觸角大于150．0°,滾動(dòng)角小于10．0°的要求。除圖2(a)所示的均勻超疏水表面(下文簡(jiǎn)稱SHS＃1)外,還采用絲網(wǎng)掩模壓印法(如圖2(b)所示)制備了網(wǎng)格狀的非均勻超疏水表面(下文簡(jiǎn)稱SHS＃2),具體做法為首先噴涂一層丙烯酸酯樹(shù)脂層,然后用平均絲徑0．25 mm、網(wǎng)格間距1．5 mm×1．0 mm的絲網(wǎng)對(duì)丙烯酸酯樹(shù)脂層進(jìn)行掩模遮擋,再噴涂一層丙烯酸酯樹(shù)脂層避免樹(shù)脂在網(wǎng)絲處沉積,從而形成具有毫米級(jí)網(wǎng)格紋理的表面微結(jié)構(gòu),最后在具有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的丙烯酸酯樹(shù)脂層表面噴涂疏水納米SiO2顆粒,制備得到超疏水表面。理論上根據(jù)上述制備流程所制備的SHS＃2仍為全超疏水表面。

圖2 實(shí)驗(yàn)用各種平板及光學(xué)輪廓圖Fig.2 Superhydrophobic preparation diagram and optical profiles of different disks for experiment

圖2(d)～(f)分別給出了用光學(xué)3D表面輪廓儀(中圖儀器Super view W1)測(cè)量光滑圓盤(pán)(下文簡(jiǎn)稱SMS)、SHS＃1和SHS＃2得到的表面粗糙度分布(圖中只給出2 mm×2 mm的視野范圍)。用于表征3種表面粗糙度的參數(shù)Sq(粗糙的脈動(dòng)強(qiáng)度)分別為0．036、11．332和17．125μm。盡管SHS＃1和SHS＃2的Sq值差別不顯著,但如圖2(e)、2(f)所示,粗糙度的分布特性有著顯著的差異,后者存在與掩模網(wǎng)紋尺度相當(dāng)?shù)牡痛植趨^(qū),出現(xiàn)此特征的原因可能是在噴涂過(guò)程中溶劑揮發(fā)而使得條帶內(nèi)疏水納米SiO2顆粒較少(圖2(f)中紅色虛線框?yàn)?．0 mm×0．5 mm的超疏水方格)。如此設(shè)計(jì)的初衷是想通過(guò)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)將氣膜分割,凹凸表面凹下去的部分增加氣膜與表面的接觸面積,從而提高氣膜在表面上的吸附力,進(jìn)而提高其抵抗動(dòng)態(tài)失穩(wěn)的能力。下文的實(shí)驗(yàn)結(jié)果將證實(shí)這一設(shè)想具有可行性。

需要說(shuō)明的是,SHS＃1和SHS＃2均只在轉(zhuǎn)盤(pán)的下表面制備了超疏水涂層,這是為了避免上表面氣膜在液體浮力作用下加速脫落而帶來(lái)額外的不確定度。另外,如圖2(c)所示,在噴涂面邊緣留有一圈寬度為5 mm的親水圓環(huán),通過(guò)產(chǎn)生三相接觸線來(lái)約束氣膜層在圓盤(pán)邊緣的變形[2,17,33]和非剪切脫附。

1.3 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)用水為經(jīng)過(guò)超過(guò)濾濾除水中大尺寸顆粒后的自來(lái)水。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,室溫與水溫的變化控制在1℃以內(nèi)。在不同轉(zhuǎn)速下,分別在空氣與水中對(duì)SMS動(dòng)盤(pán)進(jìn)行6次重復(fù)的扭矩測(cè)量,得到的平均扭矩在6次測(cè)量之間的脈動(dòng)量小于0．0012 N·m,且不受轉(zhuǎn)速影響。該數(shù)值接近傳感器的精度,可認(rèn)為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)具有可重復(fù)性。多次拆裝動(dòng)盤(pán)會(huì)使平均扭矩產(chǎn)生1%以內(nèi)的偏差,影響較小,可忽略不計(jì)。另外,還測(cè)試了氣石的影響,發(fā)現(xiàn)加裝氣石會(huì)使SMS動(dòng)盤(pán)的扭矩增大10%,但其隨雷諾數(shù)的變化趨勢(shì)不變,因下文將主要比較3種圓盤(pán)的扭矩變化,故此后不再扣除氣石引起的扭矩增量。

向水槽中注水后,超疏水表面會(huì)形成連續(xù)的自然氣膜層(如圖3(a)所示),在小轉(zhuǎn)速下氣膜不發(fā)生脫落,進(jìn)而帶來(lái)減阻效果,但隨著轉(zhuǎn)速增大,氣膜逐漸脫落,減阻效果也將隨之減弱,直至氣膜消失變?yōu)榇植谠鲎?。?shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),自然形成的氣膜層的穩(wěn)定性不佳,氣膜厚度、覆蓋面積與旋轉(zhuǎn)盤(pán)安裝的水平度密切相關(guān),且一旦脫落后表面將進(jìn)入Wenzel狀態(tài),無(wú)法再次生成氣膜,故本文考慮人工補(bǔ)氣的方法。已有研究表明,通過(guò)主動(dòng)補(bǔ)充微氣泡[23,26]或電化學(xué)反應(yīng)半自動(dòng)補(bǔ)充氣泡[25,27]等方式,可在超疏水表面形成具有減阻效果的氣膜層。因此,本文使用氣泵通過(guò)底部的4個(gè)氣石進(jìn)行主動(dòng)通氣,在動(dòng)盤(pán)盤(pán)面上形成的人工氣膜如圖3(b)所示。實(shí)驗(yàn)觀察到,人工補(bǔ)氣產(chǎn)生的氣膜層厚度具有臨界值,當(dāng)補(bǔ)氣使得氣膜層飽和后,多余的微氣泡會(huì)從邊緣溢出。這一特性使得氣膜層厚度人為可控,為定量比較不同轉(zhuǎn)速下的減阻效果提供了基準(zhǔn)。此外,人工補(bǔ)氣無(wú)法在親水板(SMS)表面形成持續(xù)的氣膜。如圖3(d)所示,在靜止?fàn)顟B(tài)下對(duì)SMS進(jìn)行人工補(bǔ)氣,由于浮力作用,會(huì)在SMS下盤(pán)面形成不連續(xù)的氣團(tuán),一旦SMS開(kāi)始旋轉(zhuǎn),氣團(tuán)將迅速脫落,對(duì)比扭矩?cái)?shù)據(jù)可證實(shí)其不存在減阻效果。

圖3 動(dòng)盤(pán)表面氣膜狀況Fig.3 Air plastron condition on rotating disk surface

在扭矩測(cè)量實(shí)驗(yàn)中,在每一個(gè)轉(zhuǎn)速下均先持續(xù)人工通氣1 min,通氣體積流量固定為6 L/min,結(jié)束通氣后開(kāi)始記錄傳感器的扭矩讀數(shù),當(dāng)扭矩的時(shí)序信號(hào)在5 min內(nèi)沒(méi)有明顯上升或者下降后即可判定為流動(dòng)達(dá)到穩(wěn)態(tài),對(duì)穩(wěn)態(tài)扭矩取5 min內(nèi)的平均值作為對(duì)應(yīng)動(dòng)盤(pán)的穩(wěn)態(tài)平均扭矩。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 超疏水穩(wěn)態(tài)減阻性能

圖4給出SMS、SHS＃1和SHS＃2等3種動(dòng)盤(pán)的穩(wěn)態(tài)扭矩T和穩(wěn)態(tài)摩阻系數(shù)Cf隨Re(或最大切速度Vθmax)的變化。如圖所示,對(duì)于SMS,Cf隨Re的增大先快速減小后略有增大,隨后緩慢減少,反映馮卡門(mén)旋流經(jīng)歷了層流、轉(zhuǎn)捩和湍流等3種流態(tài)[31]。轉(zhuǎn)捩雷諾數(shù)(定義為Cf(Re)曲線最低點(diǎn)處,表示流態(tài)從層流開(kāi)始發(fā)生轉(zhuǎn)捩的雷諾數(shù))約為Retr＝3．0×105。SHS＃1和SHS＃2的Cf隨Re呈類似的變化趨勢(shì),均存在一個(gè)臨界雷諾數(shù)Rec,當(dāng)Re＜Rec時(shí),超疏水板具有較好的減阻效果,相比SMS的最大減阻率可達(dá)30%;超過(guò)Rec后,T和Cf均將快速上升,并隨Re的增大很快超過(guò)SMS的數(shù)值,喪失減阻效果。SHS＃1和SHS＃2的臨界雷諾數(shù)分別為4．0×105和3．5×105。另外,SHS＃1的轉(zhuǎn)捩雷諾數(shù)推遲到Retr＝3．5×105,而SHS＃2的Retr約為3．0×105,需要說(shuō)明的是,其Cf(Re)曲線在最低點(diǎn)附近略有波動(dòng),故目前難以準(zhǔn)確判斷Retr的具體數(shù)值。流動(dòng)顯示表明,在Re＜Rec時(shí),SHS＃1和SHS＃2上均存在穩(wěn)定的氣膜層。隨轉(zhuǎn)速的增大,氣膜在離心力和流動(dòng)剪切的綜合作用下開(kāi)始從外圈脫落并逐漸向內(nèi)圈擴(kuò)散。在氣膜脫落處,超疏水表面的微粗糙結(jié)構(gòu)與水直接接觸,因此增加了局部阻力。增大Re至Rec后,氣膜層快速縮小直至消失,此后Cf的數(shù)值將因?yàn)楸砻嫖⒋植谕耆┞队谒卸^(guò)SMS的情況。

圖4 不同實(shí)驗(yàn)表面的穩(wěn)態(tài)摩擦扭矩和平均摩阻系數(shù)隨雷諾數(shù)和最大切速度的變化Fig.4 Variations of steady-state friction torque and average friction coefficient of different experimental surfaces with Reynolds number and maximum shear speeds

需要注意的是,圖4(b)反映,SHS＃2盡管Rec和Retr均比SHS＃1低,但Cf(Re)曲線在Rec之后的上升相對(duì)緩慢,這表明網(wǎng)紋超疏水表面對(duì)于氣膜在高Re數(shù)下的快速脫落具有一定的抑制作用。為進(jìn)一步證明此結(jié)論,圖5(a)分別給出120 r/min(Re＝2.8×105＜Rec)和180 r/min(Re＝4．2×105＞Rec)兩個(gè)典型轉(zhuǎn)速下3種圓盤(pán)的扭矩時(shí)序信號(hào),時(shí)間軸t＝0處對(duì)應(yīng)人工補(bǔ)氣停止的時(shí)刻。如圖5(a)所示,在Re＝2．8×105時(shí),SHS＃1和SHS＃2的扭矩T在5 min內(nèi)均保持穩(wěn)定的低水平,兩者的數(shù)值差距很小。當(dāng)Re增大到4．2×105時(shí),SHS＃1的扭矩T在維持了1 min的低水平后快速上升,說(shuō)明氣膜在流動(dòng)剪切和離心力的聯(lián)合作用下開(kāi)始失穩(wěn)脫落,在4 min后T已達(dá)到穩(wěn)態(tài),其數(shù)值超過(guò)SMS的水平。相比之下,SHS＃2的T在5 min內(nèi)始終以很低的速率緩慢上升,數(shù)值遠(yuǎn)低于SMS的水平。圖5(b)進(jìn)一步給出了2個(gè)超疏水圓盤(pán)在人工通氣后的減阻有效時(shí)間隨Re的變化(圖中紅色虛線與綠色實(shí)線分別表示SHS＃1、SHS＃2的臨界雷諾數(shù)Rec)。減阻有效時(shí)間Δteff定義為超疏水圓盤(pán)摩擦扭矩時(shí)序曲線低于同工況下親水光滑圓盤(pán)的扭矩時(shí)序曲線的持續(xù)時(shí)間,如圖5(a)中綠線在3．5 min之后開(kāi)始高于黑線,即SHS＃1在180 r/min的工況下減阻有效時(shí)間Δteff為3．5 min。需要說(shuō)明的是,為節(jié)省實(shí)驗(yàn)時(shí)間,在人工補(bǔ)氣工況下對(duì)每一個(gè)Re只進(jìn)行了持續(xù)5 min的實(shí)驗(yàn),如果在此時(shí)間段內(nèi)超疏水圓盤(pán)扭矩始終低于親水圓盤(pán),則記Δteff＝5 min。從圖5(b)可知,盡管SHS＃2的Rec小于SHS＃1,但其減阻有效時(shí)間在超臨界雷諾數(shù)Re＝4×105～5．5×105的范圍內(nèi)明顯長(zhǎng)于后者,說(shuō)明氣膜穩(wěn)定存在的時(shí)間更長(zhǎng),體現(xiàn)了網(wǎng)紋超疏水表面抑制氣膜失穩(wěn)脫落的能力。

圖5 超疏水圓盤(pán)減阻失效過(guò)程與不同Re下的減阻有效時(shí)間Fig.5 Superhydrophobic disk drag reduction failure process and effective time of drag reduction under different Re

2.2 超疏水氣膜層的恢復(fù)

從以上分析可知,存在一個(gè)臨界雷諾數(shù)Rec,在超臨界雷諾數(shù)下,超疏水表面氣膜層快速脫落,穩(wěn)態(tài)阻力反而增加。為增大超疏水減阻的雷諾數(shù)范圍,可以考慮使用脈沖式補(bǔ)氣的方法,在氣膜層消失之前間歇性的補(bǔ)氣。圖6(a)給出SHS＃1和SHS＃2在Re＝4．2×105(大于SHS＃1的Rec)下脈沖式補(bǔ)氣的摩阻時(shí)序信號(hào),氣泵每間隔4 min開(kāi)啟給圓盤(pán)補(bǔ)氣1 min。圖6(a)中還給出SMS的摩阻時(shí)序信號(hào)以供對(duì)比。此外,圖6(b)和6(c)分別給出SHS＃1、SHS＃2在補(bǔ)氣前10 s和一次補(bǔ)氣結(jié)束時(shí)的氣膜層形態(tài)。

圖6 循環(huán)主動(dòng)脈沖通氣實(shí)驗(yàn)的扭矩時(shí)序信號(hào)與補(bǔ)氣前后氣膜狀態(tài)Fig.6 Torque time sequence signal and air plastron state before and after supplementation in cyclic active pulse ventilation experiment

流動(dòng)顯示表明,在SHS＃1的Rec下,氣膜層隨著時(shí)間推移而逐漸脫落;通過(guò)補(bǔ)氣,超疏水表面捕獲到微氣泡,氣膜層迅速擴(kuò)展至整個(gè)盤(pán)面,阻力矩降到最低;氣膜層一旦達(dá)到飽和,其厚度將不再變化,額外的微氣泡將從圓盤(pán)邊緣溢出。對(duì)SHS＃1而言,停止補(bǔ)氣后,氣膜層的外圈在離心力的作用下從盤(pán)面邊緣甩出,氣膜層的面積占比下降,導(dǎo)致Cf快速上升;當(dāng)離心力和超疏水表面對(duì)微氣泡的抓持力達(dá)到平衡后,Cf的快速上升階段結(jié)束,此后,流動(dòng)剪切力和湍流脈動(dòng)將逐漸剝離附著在表面的剩余氣膜層,使得Cf緩慢上升,直至恢復(fù)到SMS的水平。與SHS＃1形成對(duì)比的是,SHS＃2中并沒(méi)觀察到Cf的快速上升階段。結(jié)合流動(dòng)顯示,氣膜層在停止補(bǔ)氣后只以很低的速度縮減,Cf可以在一個(gè)相對(duì)較低的水平上維持超過(guò)4 min。這說(shuō)明SHS＃2上的網(wǎng)紋粗糙能夠?qū)Ω街奈馀萏峁└蟮淖コ至?從而有效抵抗離心力、延緩氣膜層的快速脫落。最后,圖6證實(shí),SHS＃1和SHS＃2的減阻效果均可以通過(guò)補(bǔ)氣來(lái)恢復(fù),說(shuō)明在人工補(bǔ)氣狀態(tài)下,Cassie-Baxter狀態(tài)是可逆的。這種轉(zhuǎn)變可能是由于超疏水表面存在親氣疏水的特性,使得補(bǔ)充到流場(chǎng)中的微氣泡被其捕捉而再次形成氣膜所產(chǎn)生。但仍存在通氣率、通氣占空比、物理環(huán)境影響等問(wèn)題需要明確。因此超疏水表面通過(guò)補(bǔ)氣從Wenzel狀態(tài)到Cassie-Baxter狀態(tài)的轉(zhuǎn)變機(jī)制還有待進(jìn)一步的研究。

3 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)超疏水旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)在馮卡門(mén)旋流中的氣膜層減阻情況開(kāi)展實(shí)驗(yàn)研究,結(jié)合摩阻時(shí)序變化與流動(dòng)顯示結(jié)果,發(fā)現(xiàn):

1)超疏水旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)在層流、轉(zhuǎn)捩、湍流中均存在一定的減阻效果。均勻超疏水表面(SHS＃1)和具有毫米級(jí)網(wǎng)格紋理的網(wǎng)紋超疏水表面(SHS＃2)均存在一個(gè)臨界雷諾數(shù)Rec,在亞臨界雷諾數(shù)下,兩種表面均具有穩(wěn)定的減阻效果,而在超臨界雷諾數(shù)下,減阻效果隨Re的增加快速下降,最終變?yōu)榇植谠鲎?。另?前者的轉(zhuǎn)捩雷諾數(shù)Retr相比光滑平板(SMS)而言被推遲,后者則幾乎無(wú)變化。

2)SHS＃2的表面紋理提高了其氣膜層抵抗動(dòng)態(tài)失穩(wěn)的能力。對(duì)減阻效果的有利影響體現(xiàn)在兩個(gè)方面:一是能夠在更高的雷諾數(shù)下保持較大幅度的穩(wěn)態(tài)減阻效果;二是減阻有效時(shí)間更長(zhǎng)。這一發(fā)現(xiàn)說(shuō)明,可以通過(guò)合理設(shè)計(jì)超疏水材料的表面紋理特性,調(diào)節(jié)氣膜與固體表面的接觸面積來(lái)進(jìn)一步提高其表面氣膜的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。

3)采用主動(dòng)式脈沖通氣的方式可以通過(guò)恢復(fù)超疏水表面氣膜層來(lái)恢復(fù)其減阻效果,這表明在人工補(bǔ)氣狀態(tài)下,Cassie-Baxter狀態(tài)是可逆的,同時(shí)其減阻有效時(shí)間得到一定程度的延長(zhǎng)。因此,主動(dòng)脈沖通氣結(jié)合超疏水表面,將有可能是一種具有良好應(yīng)用前景的湍流減阻技術(shù)。