超疏水流体减阻表面
超疏水表面流场特性及减阻规律的数值仿真研究_黄桥高
第18卷第1-2期船舶力学Vol.18No.1-2 2014年2月Journal of Ship Mechanics Feb.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：O357.1文献标识码：A doi:10.3969/j.issn.1007-7294.2014.h1.001Numerical simulation of superhydrophobic surface’sflow field characteristic and drag reduction ruleHUANG Qiao-gao,PAN Guang,SONG Bao-wei,LIU Zhan-yi,HU Hai-bao(College of Marine,Northwestern Polytechnical University,Xi’an710072,China)Abstract：Based on the numerical simulation model of superhydrophobic surfaces flow field,the flow field characteristics and the drag reduction law are studied with superhydrophobic surfaces with the microcos-mic topography in turbulence.The results show that the prominent slip flows on the gas-liquid interface and the conjugated streamwise vortex near the microcosmic topography of superhydrophobic surfaces appear. These factors inhibit the turbulent fluctuation,reduce Reynolds stress and energy loss together,so that the superhydrophobic surfaces generate drag reduction effect;the drag reduction of superhydrophobic surfaces increases with the increase of the free shear area ratios and increases with the increase of the topography periods.There is a qualitative relationship between the drag reduction and the slip,namely the greater slip, the better drag reduction effect.Key words:superhydrophobic surfaces;microcosmic topography;flow field structure;super-hydrophobic;slip;drag reduction law1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_1@；潘光（1969-），男，西北工业大学教授，博士生导师。
疏水表面及其减阻研究
目前构造具有疏水性能的表面主要有两种途 径[6] :一种是在具有低表面能物质的表面 ,构造出粗 糙表面 ;另外一种就是在构造出的粗糙表面修饰低 表面能物质 。 3. 1 疏水涂层表面粗糙化工艺 3. 1. 1 氟碳树脂表面的粗糙化
众所周知 ,氟碳树脂以其固有的低表面能特性 , 被广泛用于制造疏水表面 。目前常用的有 : Teflon (特氟隆) 系列 、PVDF (聚偏二氟乙烯) 、FEVE (一种 含氟树脂) 和 PVA (聚乙烯醇) 树脂等 。Zhang 等[14] 利用 Teflon 制得了具有纤维状的多孔超疏水薄膜 , 正是薄膜表面的这种纤维状晶粒和大量气孔的存 在 ,才使薄膜表面具有疏水性 。Chen 等[15] 利用氧等 离子体 ,分别刻蚀经金和烷基硫醇修饰后的自组装 纳米聚苯乙烯薄膜表面和 Teflon 薄膜表面 ,前者的 表面接触角从刻蚀前的 132°变为 170°,后者接触角 为 168°。Lu 等[16] 加热聚四氟乙烯到玻璃点温度 ,利 用多孔氧化铝模板在聚四氟乙烯薄膜表面成功地制 备了柱状的聚四氟乙烯纤维表面 ,其表面接触角为 161°。Xu 等[17] 利用电引发聚合和化学聚合工艺在 聚吡咯 ( PPy) 薄膜中掺杂全氟辛烷磺酸 ( PFOS) 作为 诱导剂 ,得到具有双重结构的粗糙表面 ,其表面具有 较好的疏水性 。Yuan 等[18] 将聚苯乙烯颗粒溶于四 氢呋喃溶液 ,并在常温下向上述溶液中加入一定量
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的研究方向 。
2 基本原理
2. 1 亲 、疏水原理
物质表面的表面能大小 ,决定了该物质是否具
有亲 、疏水性能 。Young[7] 最早揭示了物质表面的
亲 、疏水性质 。他假设在理想物质表面上 ,当液滴达
疏水表面减阻的机理
疏水表面减阻的机理嘿，咱今天就来讲讲疏水表面减阻这个神奇的事儿！你想想啊，水就像个调皮的小孩子，老爱给我们找麻烦，在物体表面捣乱，增加阻力。
但要是这表面变得疏水了呢，那可就不一样啦！疏水表面啊，就好像给物体穿上了一件特别的“雨衣”。
水碰到它呀，就没法那么容易地黏上去，“哧溜”一下就滑过去了。
这就好比我们走路，要是路上都是泥泞，那走起来得多费劲啊，但要是路很光滑，那走起来不就轻松多啦？你看那些水里游的动物，它们的身体表面很多就是疏水的呢。
它们在水里游得那么自在，是不是很让人羡慕呀？其实我们也可以借鉴一下它们的智慧呀。
疏水表面减阻的机理呢，就像是一场巧妙的魔术。
它让水对物体的“纠缠”变少了，减少了摩擦。
就好像两个朋友，本来老是黏在一起，现在有了个办法让他们保持一点距离，这样行动起来就更方便快捷啦。
那怎么才能实现疏水表面呢？这可就有很多门道啦。
可以通过改变表面的结构，让它变得粗糙或者有特殊的纹理。
这就像给表面打造了一个独特的“地形”，水在上面就不容易呆住啦。
或者用一些特殊的材料来制作表面，让水对它“不感兴趣”。
想象一下，如果我们的船都用上疏水表面，那在水里航行的时候不就能省好多力气，跑得更快啦？还有那些在水下工作的设备，也能更高效地工作呀。
在生活中，我们也能处处发现疏水表面减阻的应用呢。
比如一些防水的衣物，水溅上去就滑落了，不会湿透衣服，这不也是一种减阻的体现嘛。
还有那些自清洁的表面，水一冲就干净了，多方便呀。
疏水表面减阻真的是个很神奇又很实用的东西呀。
它能让我们的生活变得更便利，让各种设备运行得更高效。
我们可不要小看了这个小小的现象，它背后蕴含着大大的智慧呢！所以呀，大家都来多了解了解疏水表面减阻吧，说不定哪天你就能发现它在你身边发挥着大作用呢！这可不是开玩笑的哟！。
姚朝晖-微纳结构超疏水表面的湍流减阻机理研究
第35卷第4期力学与实践2013年8月微纳结构超疏水表面的湍流减阻机理研究1)卢思姚朝晖2)郝鹏飞傅承诵(清华大学航天航空学院工程力学系，北京100084)摘要超疏水表面的优异性质使其在现代生活和工业生产中具有十分广泛的潜在应用价值.本文采用了碳纳米管缠绕技术和聚氟硅氧烷疏水化处理方法制备了具有二级微纳米结构的超疏水表面.测量了由该超疏水表面构建的槽道中的流动压降，将其与普通表面构建的槽道内的流动压降进行比较，发现在层流情况下，流动阻力减小最多达到了22.8%.在湍流的情况下，超疏水表面的减阻比例约为53.3%，减阻效果比层流更加明显.利用PIV (particle image velocimetry)技术测量了具有超疏水表面的槽道内的速度场，通过超疏水表面速度滑移和湍动脉动场信息，分析了湍流减阻效果比层流更加明显的物理机制.关键词超疏水表面，二级微纳米复合结构，湍流，减阻，壁面滑移中图分类号：O357.1文献标识码：ADOI ：10.6052/1000-0879-13-098DRAG REDUCTION IN TURBULENT FLOWS OVERSUPERHYDROPHOBIC SURF ACES WITH MICRO-NANO TEXTURES 1)LU SiYAO Zhaohui 2)HAO Pengfei FU Chengsong(Department of Engineering Mechanics,School of Aerospace,Tsinghua University,Beijing 100084,China)Abstract The superhydrophobic surfaces have a very wide range of potential applications in the modern life and industrial production due to their excellent properties.In this paper,a kind of superhydrophobic surface was fabricated by pasting micro-nano particles onto an aluminium or PMMA (polymethylmethacrylate)substrate.The micro-nano particles were obtained by carbon nanotubes winding technology and hydrophobic processing.The pressure drop measurements were carried out in the channel with superhydrophobic surfaces pared with the common surface channel,the flow resistance decreases by about 22.8%at most in the laminar flow.In the turbulent flow,the drag reduction can reach 53.3%.The velocity field in the channel with such superhydrophobic surfaces was measured by particle image velocimetry (PIV)technology.Through the slip velocities in the superhydrophobic surface and the turbulent fluctuations,the physical mechanism is revealed to show that the turbulent friction reduction effects are apparently better than in cases of laminar flows.Key words superhydrophobic surface,micro-nano dual-scale structures,turbulent flow,drag reduction,slip velocity引言超疏水表面的优异性质使其在现代生活和工业生产中具有十分广泛的潜在应用价值，如利用其自清洁性[1]，疏水材料可以作为防污材料[2]、防腐蚀材料和管道减阻，近些年来将超疏水材料用于水中运输工具或水下潜艇上[3]，以减小水的阻力，提高2013–03–21收到第1稿，2013–06–03收到修改稿.1)国家自然科学基金资助项目(11272176).2)姚朝晖，博士，副教授，研究方向为微流动.E-mail:yaozh@第4期卢思等：微纳结构超疏水表面的湍流减阻机理研究21行驶速度也开始得到人们的关注.Ou 等[4-5]在一系列高76µm <H <254µm ，宽高比W/H =20,长度L =50mm 的微管道中,发现超疏水表面构成的槽道对层流具有减阻效应,最大减阻甚至达到了40%.而减阻的效应随着超疏水表面的微结构的尺寸不同而变化.Watanabe 等[6]研究了直径6mm和12mm 具有高疏水壁面的管道流动,由于表面覆盖了一层10µm ∼20µm 的微沟槽,在500<Re <10000的流动状态下,流动阻力减少了14%.Choi 等[7]采用500nm 高230nm 间距纳米柱结构形成超疏水表面,将其应用于3µm 的微管道中,压降较普通微管道降低20%∼30%.在我们前期的研究[8]中，利用由碳纳米制成的无序缠绕碳纳米管构建成的超疏水表面进行流动阻力实验，发现对于层流而言，由二级微纳米复合结构构成的超疏水表面比仅仅具有一级结构的疏水表面具有更好的减阻效应.超疏水表面不仅对层流能够产生减阻效用[9-11]，而且对湍流的流动阻力也有影响.2006年，Krupenkin [12]先后利用两种具有不同微结构(纳米草和微米砖)的超疏水表面进行实验，发现相比层流而言，拥有微结构的超疏水表面对湍流具有更加明显的减阻效应.Daniello 等[13]利用具有沿流向微槽道结构的超疏水表面进行了流动实验，当流动在层流范围内时(0<Re <2200)在超疏水表面的流动阻力并没有减小，但是随着雷诺数的增加，当流动开始由层流变为湍流的时候，流动阻力开始明显地减小.并且随着雷诺数的增加，减阻的比例越来越高.但是当雷诺数增加到一定程度时，减阻的比例就不再减小.Woolford 等[14]采用光刻蚀技术制备的具有微脊结构的超疏水表面进行了湍流流动实验，并利用PIV (particle image velocimetry)对槽道内的流动速度进行了测量，发现当微脊沿着流动方向的时候，该超疏水表面能够有效地减小流动阻力，但是当微脊的方向与流动方向相垂直的时候，流动阻力反而增加了.前人的超疏水表面基本上是微米或纳米一级结构，对具有微纳二级结构的超疏水表面进行流动减阻和机理研究尚少有报道.1超疏水表面的制备本文所采用的超疏水表面的制备方法是首先以单体的形式制备出超疏水表面上的微米尺度的微纳米复合结构单元，又叫无序缠绕碳纳米管，然后再采用涂敷工艺，将碳纳米管复合颗粒粉体粘结在表面上，构成微纳米复合结构表面，如图1所示.无序缠绕碳纳米管的制备方法见参考文献[8]，将无序缠绕碳纳米管粉体放入聚氟硅氧烷溶液中进行疏水化处理，聚氟硅氧烷的化学学名叫做十七氟癸基三乙氧基硅烷，化学式C 8F 17C 2H 4Si(OCH 3)3，是一种无色至淡黄色透明液体.有良好的透气性能，能够耐高温、耐氧化、耐紫外线辐射，而且具有疏水疏油性质.经过疏水处理过的二级微纳米结构表面具有超疏水性.采用接触角测量仪(JC2000CD1)对表面进行接触角和滚动角测量，得到该超疏水表面接触角为151◦，滚动角为0.9◦.图1超疏水表面制备示意图2实验方法与过程2.1流动阻力实验本流动阻力实验的实验示意图见图2，槽道尺寸长240mm 、宽12mm 、高0.96mm ，在槽道上表面的两端端口处各有一个小孔作为入水口和出水口，从入口端向内60mm 处以及出口向内40mm 处，则是压力传感器安装的位置，用来测量这两点之间的压差，而这两个测量孔处的流动，经过模拟计算，在该测点间流动已经进入充分发展区了.在实验中质量流量由精密天平测量得到.图2流动阻力实验示意图对于层流流动，在矩形槽道内的普通流动中，沿程阻力系数[15]f =∆p (L/D H )2ρU 2=92Re(1)其中,∆p 为两侧点间压差(压降),ρ为流体密度,L 为压差测量两点之间的距离，U 为槽道内流体的平均速度，通过流量与槽道横截面积可以算出.Re =ρUD H /µ,D H 为水力直径D H =4A/P(2)22力学与实践2013年第35卷假定在超疏水表面构建的槽道中，沿程阻力常数为C f−SuperHyd，那么其沿程阻力系数满足f SuperHyd=∆p(L/D H)2ρU2=C f−SuperHydRe(3)在实验过程中只要测量出两点之间的压差，就能够计算出该流动中的沿程阻力系数，进而把普通槽道内的流动与超疏水表面槽道内的阻力进行比较.2.2PIV实验为了确定在超疏水表面流动减阻的机理，利用PIV技术对槽道中的流场进行细致测量.在PIV实验中，片光源和CCD相机分别在槽道的正上方和正前方，利用片光源照亮待测槽道中心截面，如图3所示.槽道长为600mm，宽20mm，深3.5mm(为了使流场细节更加清晰，放大了槽道尺寸)，其基底为有机玻璃，槽道的下表面是超疏水表面，上表面采用透明的有机玻璃盖板，以方便测量.示踪粒子采用镀银的空心玻璃微珠，其型号为900875，粒径在14µm左右，密度与水接近，具有很好的跟随性.水泵是微型磁力潜水泵，最大流量为2800ml/min.图3PIV实验示意图3数据处理与分析3.1流动阻力实验结果在湍流研究中，分别测量了具有相同槽道尺寸(长240mm，宽12mm,高0.96mm)的光滑槽道和带超疏水表面的槽道从层流到湍流的流动压降和相应的质量流量，采用沿程阻力系数计算公式得到了各流动雷诺数下的沿程阻力系数与雷诺数的关系曲线如图4所示.图4普通槽道与超疏水材料槽道沿程阻力系数比较从图4可以看到，在普通槽道中，当雷诺数达到1300∼1400的时候，流动压降急剧增加，沿程阻力系数随着雷诺数的增加而增大，这表明在普通槽道中流动由层流向湍流过渡.而在由无序缠绕碳纳米管构成的超疏水表面的槽道内，当雷诺数达到1300∼1400的时候，沿程阻力系数仍然随着雷诺数的增加而减少，这说明具有微纳米结构的超疏水表面能够增大槽道内流动的转捩雷诺数，使得流动更不容易进入湍流状态，从而达到减阻的效果.对于层流，根据实验测得压降，由式(3)可以计算出经聚氟硅氧烷疏水化处理的槽道沿程阻力系数常数为C f−SuperHyd=71，其减阻达到了22.8%.对于湍流而言，由于目前还没有解析解也没有相对应的经验公式，因此在这里我们根据槽道中压降随雷诺数变化的趋势来评估湍流情况下超疏水表面构建的槽道内的减阻效应.根据图4中的数据结果，估算出在本实验最大Re工况下，与普通槽道实验结果相比，利用聚氟硅氧烷进行疏水化处理之后的超疏水表面的减阻比例约为53.3%.从实验的结果来看，在具有超疏水表面的槽道中，湍流情况下的流动减阻比层流情况下的流动减阻效果更加明显.3.2PIV实验结果在PIV实验中，对于某一个雷诺数下的流动，在槽道中选定某一沿流向的竖直平面，CCD相机两次曝光间隔时间为0.5ms，一共拍摄200对共计400幅图，可以计算出200个瞬时速度场，两两速度场的时间间隔是400ms.调整水泵的转速，可以进行不同雷诺数下的槽道内流场测量.现以雷诺数Re=2441的流场为例，进行流动减阻机理研究.图5给出了槽道内的平均速度场，其中X为槽道流动方向无量纲长度(X=x/L,L为槽道长度),第4期卢思等：微纳结构超疏水表面的湍流减阻机理研究23 Y为槽道深度方向无量纲长度(Y=y/H,H为槽道深度),图6给出了剖面上X方向的无量纲速度分布图，从两图上可以看出来，在Y=0，即超疏水表面的固壁处，流体的速度要大于普通表面附近的速度，因此存在一定的速度滑移.而在Y=1处，即普通光滑有机玻璃表面的固壁处，流体速度近似为0.图5槽道内的平均速度场图6剖面上X方向的无量纲速度U图7为剖面上X方向的无量纲速度脉动均方根量随着Y的分布.图8和图9表示槽道内剖面上的无量纲雷诺切应力和无量纲总剪切应力.在湍流状态下，超疏水表面附近的雷诺切应力以及总剪切应力比较小，在普通表面附近，雷诺切应力以及总剪切应力都比超疏水表面附近对应的物理量大，这是因为在超疏水表面的速度滑移抑制了壁面附近的速度脉动，进而减少了由脉动动量输运而产生的雷诺应力和湍动能的生成.图7剖面上X方向的无量纲速度脉动均方根量图8剖面上无量纲雷诺应力图9剖面上无量纲总剪切应力4结论超疏水表面的优异性质使其在现代生活和工业生产中具有十分广泛的潜在应用价值.本文采用了碳纳米管缠绕技术和聚氟硅氧烷疏水化处理方法制备了具有二级微纳米结构的超疏水表面.测量了由该超疏水表面构建的槽道中的流动压差，将其与普通表面构建的槽道内的流动压差进行比较，发现在层流情况下，流动阻力减小最多达到了22.8%.24力学与实践2013年第35卷在湍流的情况下，超疏水表面的最大减阻比例约为53.3%，减阻效果比层流更加明显.利用PIV技术测量了具有超疏水表面的槽道内的速度场，研究发现在超疏水表面的速度滑移抑制了壁面附近的速度脉动，进而减少了由脉动动量输运而产生的雷诺应力和湍动能的生成，这可能是湍流减阻效果比层流更加明显的物理机制.参考文献1Barthlott W,Neinhuis C.Purity of the sacred lotus or es-cape from contamination in biological surfaces.Planta, 1997,202(1):1-82Neinhuis C,Barthlott W.Characterization and distribu-tion of water-repellent,self-cleaning plant surfaces.Annals of Botany,1997,79(6):667-6773Jiang CG,Xin 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mi-crochannel with hydrophobic surface patterned microribs oriented parallel to theflow direction.Physics of Fluids, 2007,19(9):09360311Su Bin,Li Mei,Lu Qinghua.Toward understanding whether superhydrophobic surfaces can really decreaseflu-idic friction ngmuir,2010,26(8):6048-605212Krupenkin TN.Turbulent drag reduction using superhy-drophobic surfaces.In:3rd AIAA Flow Control Confer-ence,San Francisco,200613Daniello RJ,Waterhouse NE,Rothstein JP.Drag reduction in turbulentflows over superhydrophobic surfaces.Physics of Fluids,2009,21(8):08510314Woolford B,Prince J,Maynes D,et al.Particle image ve-locimetry characterization of turbulent channelflow with rib patterned superhydrophobic walls.Physics of Fluids, 2009,21(8):08510615Blevins RD.Applied Fluid Dynamics Handbook.New York:Van Nostrand Reinhold,1984(责任编辑:胡漫)～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～(上接第30页)8Dabiri S，Sirignano WA.Effects of cavitation on the breakup of liquid jets:Bubble growth，distortion，and col-lapse in an orificeflow.In:Proceedings of the47th AIAA Aerospace Science Meeting，Florida，America，20099颜开，王宝寿.出水空泡流动的一些研究进展.见:第二十一届全国水动力学研讨会，济南，2008(Yan Kai,Wang Baoshou.Some research progress of water-exit cavity.In:Proceed-ings of the21st National Conference on Hydrodynamics, Jinan,200810郑帮涛.潜射导弹出水过程水弹道及流体动力研究进展.导弹与航天运载技术，2010，(5):8-12(Zheng Bangtao.Overview on hydroballistics andfluid dynamics of submarine-based missiles.Missiles and Space Vehicles，2010，(5):8-12(in Chinese))11尹云玉，吕海波.潜射火箭出水过程横向响应载荷研究.导弹与航天运载技术，2007，(6):12-16(Yin Yunyu,L¨u Haibo.Transverse responding load analysis of submarine rockets while moving out of water.Missiles and Space Vehicles，2007，(6):12-16(in Chinese))12闵景新，魏英杰.潜射导弹垂直发射过程流体动力特性数值模拟.兵工学报，2010，31(10):1303-1309(Min Jingxin,Wei Yingjie.Numerical simulation on hydrodynamic character-istics of submarine missiles in the vertical launch process.Acta Armamentaria，2010，31(10):1303-1309(in Chinese)) 13王一伟，黄晨光，杜特专等.航行体垂直出水载荷与空泡溃灭机理分析.力学学报,2012,44(1):39-48(Wang Yiwei,Huang Chenguang,Du Tezhuan,et al.Mechanism analysis about cavitation collapse load of underwater vehihles in a verti-cal launching process.Chinese Journal of Theoretical and Applied Mechanics,2012,44(1):39-48(in Chinese))14匡兴华.美国新型战略武器发展综述.国防科技，2008，(1): 21-32(Kuang Xinghua.A survey on American new-style strategic weapons.National Defense Science&Technol-ogy，2008，(1):21-3215刘荣贺.基于NASTRAN优化的某导弹结构模型修正.现代防御技术，2011，39(6):106-110(Liu Ronghe.Missile struc-ture model updating based on NASTRAN optimization.Modern Defense Technology，2011，39(6):106-110(in Chi-nese))16李贤兵.基于NASTRAN的红外整流罩组件结构分析.航空兵器，2012，(3):41-43(Li Xianbing.The structural analysis of infrared dome subassembly based on NASTRAN.Aero Weaponry,2012,(3):41-43(in Chinese))(责任编辑:刘希国)。
超疏水性表面上的流体滑移及其减阻应用_英文_
Fig.2 Nano-structures were prepared in anodic oxidation method on alumina chip
第3期
ZHAO Jia-peng et al: Liquid slip over Super-Hydrophobic …
uid.
The slip effect on the surface entails meaningful drag-reduction for various flow condi -
tions.Chang-Hwan Choi also proposed the relationship between friction and liquid slip length.
Reynolds number.
Key words: liquid slip; super-hydrophobic; boundary; drag-reduction; Reynolds number
CLC number: O35
Document code: A
1 Introduction
While many recent studies have confirmed the existence of liquid slip over certain solid surfaces, there is currently considerable work in microfluidics aimed at utilizing liquid slip to reduce viscous drag[1], mainly through the production of hydrophobic and super-smooth surface,makes the affinity between objects wall and the liquid medium weakening,thereby directly reducing friction in the wall shear stress[2]. Domestic Tian Jun[3], Xu Jinfen have done to experimental research of drag-reduction on low energy surfaces, Yu Yongsheng[4], Wei Qingding have done to experimental research of drag-reduction on hydrophobic surfaces. These studies have proved that there is a certain effect on drag-reduction over the hydrophobic or low energy surfaces. But the liquid slip mathematical model has not been explained on theory and the mechanism of drag-reduction over super-hydrophobic is not clear. So, based on the theory of boundary layer, the impact of liquid slip on viscous drag was analyzed through theory and experiments.
超疏水表面减阻水洞实验及减阻机理研究
疏水表面 ， 并对水在超疏水表面微通道和超亲水表面 微通道中流动的压降进行了测试与对比 ， 实验得出水 在超疏水表面微通道内的流动阻力有明显降低 ， 降低
［０］ 的最大值可达 ２ 利用飞秒激光在硅表面 ５％ 。 李刚 １
。 正是生物表面的超疏水性和自清 洁 功 能 带 给
了水下减阻技术新的研究方向 。 受此启发 ， 国内外学
［ ７］
面微通道内的流率大于普通表面微通道内的流率 ， 并 把流率增大的原因 归 结 为 超 疏 水 表 面 壁 面 处 存 在 滑 移 。Ｋ ｅ ｖ ｉ ｎ Ｊ ｅ ｆ ｆ ｓ和 Ｄ ａ ｎ ｉ ｅ ｌ Ｍ ａ ｎ ｅ ｓ 利用数值模拟的 ｙ
［ ８］
了超疏水性圆管内的湍流流动特性 。 研究表明 ： 其流 场中存在临界 Ｒ 当Ｒ 超疏 ｅ数， ｅ 数 大 于 此 临 界 值 时， 水性圆管内的湍流流动表现为减阻 ； 反之则表现为增 阻， 并认为超疏水表面无滑移壁面与自由剪切面的综
５卷 第５期 第２
０ １ １年１ ０月 ２
实 验 流 体 力 学 Ｖ ｏ ｌ ． ２ ５， Ｎ ｏ ． ５ ， Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｅ ｘ ｅ ｒ ｉ ｍ ｅ ｎ ｔ ｓ ｉ ｎ Ｆ ｌ ｕ ｉ ｄ Ｍ ｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｃ ｓ Ｏ ｃ ｔ ． ２ ０ １ １ ｐ
２ ２
） 实 验 流 体 力 学 （ 第２ ２ ０ １ １ ５卷
合效果是导致这一现象的主要原因 。 国内外学者从数值仿真 从已有的研究情况来看 ， 但 和实验两方面充分证明了超疏水表面的减阻作用 ， 对超疏水表面减阻 技 术 在 水 下 航 行 器 上 的 应 用 及 其 减阻机理方面的研究较少 ， 目前仍无统一认识 。 通过 水洞实验研究超疏水表面航行器模型的阻力特性 ， 并 分析具有显著减阻 效 果 的 超 疏 水 表 面 的 表 面 能 特 性 探索其减阻机理 。 及滑移特性 ， 应变片伸长和缩 短 时 变 形 量 存 在 的 偶 然 误 差 。 完 成 对 ３ 个通道的静校测量后 ， 采用最小二乘法对静校结 确定天 平 各 通 道 的 灵 敏 度 ， 天平的主要 果进行处理 ， 技术参数见表 １。
超疏水表面减阻特性的研究进展
超疏水表面减阻特性的研究进展李小磊;张会臣【摘要】超疏水表面具有减阻效果,在提高管道传输效率、降低水下航行体和微流体器件中流动阻力等方面有着广阔的应用前景.介绍超疏水表面的制备、滑移理论以及减阻特性的研究,讨论微尺度下表面润湿性、表面微结构和流场流动状态对壁面减阻的影响,对超疏水壁面减阻的物理机制进行总结,并指出气体层不连续模型和气穴模型是分别适用于光滑疏水表面和带微结构超疏水表面的减阻模型.介绍超疏水表面减阻特性的一些应用,提出将超疏水表面应用到微流体系统中面临的问题,如微通道壁面疏水性的制备及其减阻效果的耐久性.【期刊名称】《润滑与密封》【年(卷),期】2016(041)010【总页数】7页(P116-122)【关键词】超疏水表面;减阻;表面润湿性;微结构;流场【作者】李小磊;张会臣【作者单位】大连海事大学交通运输装备与海洋工程学院辽宁大连116026;大连海事大学交通运输装备与海洋工程学院辽宁大连116026【正文语种】中文【中图分类】TH117.1近年来，具有防污自清洁、防水防潮、抗结冰、流体减阻、表面防护等特性的超疏水表面在工业生产和人们日常生活的诸多领域显示出诱人的应用前景[1-2]。
例如，具有自清洁功能的汽车玻璃和玻璃外墙，能够有效防止冰雪覆盖的输电线路，能够降低航行阻力的潜艇表面等，特别是在微流动系统中，超疏水表面能够改变液体流动的状态，对微流体系统实现特定的功能尤为重要。
因此，超疏水表面减阻特性的研究引起研究者的广泛关注。
对具有微结构的表面进行疏水化处理，液体在超疏水表面上流动时产生壁面滑移，壁面滑移减小了层流和湍流流动中的阻力。
随着微流体系统中微通道尺寸的减小，界面阻力增大，因此具有减阻功能的超疏水表面是微流体系统开发的关键。
本文作者从超疏水表面的制备、滑移理论、减阻机制等方面作了详细的综述和总结，旨在为超疏水表面在微尺度下的应用提供参考。
人类对超疏水表面的认识最早是从自然界开始的，其中广为人知的例子就是荷叶，首先发现荷叶表面不沾水这一特殊现象的是德国波恩大学的生物学家NEINHUIS 和BARTHLOTT[3]，称这种现象为“荷叶效应”。
超疏水表面微结构对其疏水性能的影响及应用
超疏水表面微结构对其疏水性能的影响及应用一、本文概述超疏水表面，也称为超防水表面或荷叶效应表面，是指具有极高水接触角和低滑动角的固体表面。
这种特殊的表面性质使水滴在其上几乎无法附着，即使附着也能轻易滚落，因此具有自清洁、防腐蚀、防结冰、防雾等独特功能。
超疏水表面的这些特性在材料科学、物理学、化学、生物学、机械工程、航空航天、建筑等领域具有广泛的应用前景。
超疏水表面的特性主要来源于其独特的微结构，这些微结构可以在微米甚至纳米尺度上影响水滴与固体表面的接触行为。
因此，研究超疏水表面微结构对其疏水性能的影响，对于理解超疏水表面的作用机制、优化超疏水表面的制备工艺、拓展超疏水表面的应用领域具有重要的理论价值和实际意义。
本文旨在全面系统地探讨超疏水表面微结构对其疏水性能的影响，包括微结构的类型、尺寸、分布等因素对超疏水性能的影响机制。
本文还将介绍超疏水表面的制备方法、应用领域以及存在的挑战和未来的发展方向。
通过本文的研究，我们期望能够为超疏水表面的进一步研究和应用提供有益的理论支持和实践指导。
二、超疏水表面微结构的基本原理超疏水表面，也称为超防水表面或荷叶效应表面，是一种具有特殊微纳米结构的表面，其水接触角大于150°，滚动角小于10°。
这种表面具有优异的防水性能，水珠在其表面难以停留，极易滚动脱落。
超疏水表面的微结构原理主要基于两个方面：表面粗糙度和表面化学组成。
表面粗糙度对超疏水性能的影响至关重要。
通过构建微纳米尺度的粗糙结构，可以大大增加固体表面的实际面积，从而在表面与水滴之间捕获更多的空气，形成稳定的空气垫。
这种空气垫的存在显著减少了固体表面与水滴的直接接触面积，降低了表面能，从而提高了表面的疏水性能。
表面化学组成也对超疏水性能产生重要影响。
通过引入低表面能的物质，如氟硅烷、长链烷烃等，可以降低固体表面的自由能，进一步提高其疏水性能。
这些低表面能物质可以在微纳米结构表面形成一层自组装单分子层，进一步减少水滴与固体表面的接触，增强超疏水效果。
微结构超疏水表面减阻特性数值研究_宋保维
∑α
i
ρi = αw ρw + （ 1 － αw ） ρa
（ 4）
给出 ． 所有的其它属性（ 如粘度） 都以这种方式计算 ． 通道左端为均匀速度入口， 右端为自由流出口， 流体为水 ． 初始状态 时， 凹 槽 内 充 满 空 气， 即气液交界面
2 为 一条与槽顶部平齐的直线 ． RNG k-ε 模型要求指定 k 和 ε 的初始值 ． 其中湍动能 k = 3 （ u avg I ） / 2 ， 湍流耗散 3 /4 3 /2 率 ε = C μ k / l． 所以需要确定湍流强度 I 和湍流尺度 l． 湍流强度 I 定义为相对于平均速度 i = u avg 的脉动
2
2. 1
计算结果及分析
流场特性分析 ·s － 1 来流速度下， 在 V = 10 m 对微观尺寸为 a = d = h = 0. 01 mm 的超 疏 水 表 面 流 场 进 行 模 拟， 图 2 为超
图 3 为随机选中的凹槽中的气液速度矢量图 ． 疏水表面的近壁面速度分布图， 从图 2 可以看出， 疏水表面壁面处的流动在凹槽上方和肋板（ 即图 1 中长度标为 d 的部分 ） 上方出现了 明显的不同 ． 肋板上方的接触为固 -液接触， 固 -液界面处速度为零， 速度梯度较大； 而凹槽上方的接触为气 -液 气 -液界面处速度不为零， 使得速度梯度较小 ． 如 图 3 所 示， 可以看到凹槽内形成了与微观结构尺寸相 接触， 当的低速气体漩涡， 这是造成气 -界面速度不为零的主要原因， 从而也导致了宏观上的壁面滑移 ．
1
物理数学模型
针对超疏水微结构的特点， 将其简化为具有规则形状的凹槽， 对两平行 平 板 间 流 场 进 行 模 拟， 其中上壁
收稿日期： 2012 － 04 － 27 ； 修回日期： 2012 － 08 － 04 基金项目： 国家自然科学基金重点项目（ 50835009 ） 、 青年项目（ 51109178 ） 及陕西省自然科学基础研究计划项目（ 2010JQ1009 ） 资助 E-mail ： songbaowei@ nwpu． edu． cn 作者简介： 宋保维（ 1963 － ） ， 男， 博士， 教授， 主要从事水下航行器研究， * 通讯作者 E-mail ： gyhguoyunhe@ sina． cn
超疏水表面的应用
超疏水表面的应用超疏水表面的应用1自清洁的应用当具有超疏水表面的金属稍微倾斜，再喷洒人工雨时，金属表面的小水滴将会合并成大水珠滚落，并带走表面的污染物，实现自清洁或易于清洗，减少了洗涤剂对环境的污染，省力又环保。
2 耐腐蚀的应用大多数金属材料表面不可避免地会发生氧化，遇上水等常见的液体腐蚀介质，氧化膜不能有效的起到保护作用。
如果金属表面覆盖有超疏水膜层，膜层的微纳米符合结构中所含的”空气垫”将会保护金属表面，隔开基底与液体的直接接触，使得腐蚀离子难以到达金属表面，显著提高了金属的耐蚀性。
3 流体减阻应用船舶等航行体在前行过程中不可避免地会受到来自水流和空气的阻碍，除了兴波阻力和压差阻力，最大的前进阻力是摩擦阻力。
表面超疏水的固体浸没在水中时并不是与液体直接接触而是隔着一层空气薄膜局部接触，并且其表面的超疏水结构中所含的空气可以大大增加固体的浮力，加上有些超疏水膜本生是疏水材料，极难溶于水，因此超疏水表面能够明显降低水流的摩擦阻力。
4 防冰抑霜的应用表面超疏水的金属基体之所以防冰霜是由于以下四个因素：（1）接触角越大，结霜时的热力学势垒越大，活化率越低，水珠的液核难以生成，导致了初始水珠的出现变慢；（2)接触角越大，生成的水珠的曲率半径越小，水珠表面的饱和气压越高，水珠生长的缓慢；（3）接触角越大，生成的水珠越容易合并长大，液滴高度越高，离冷面越远，与冷表面的接触面积越小，减缓了换热过程，水珠不容易冻结。
（4）接触角越大，滚动角越小，水珠与固体表面的黏附力越小，容易在自身重力或风力等外在作用力的作用下掉落。
实际应用中，可以将卫星天线最外层的保护层制备为具有超疏水性能的膜层，这样就能大大减少雨雪的附着，从而保证通讯信号不受雨雪的干扰。
5.油水分离的应用20℃的室温下纯水的表面张力为m72，他是同等温度下油等有机8.mN/物表面张力的2~3倍如果某种材料的表面自由能介于二者之间，那么该材料就会具有超疏水超亲油的独特性能。
超疏水表面的定义
超疏水表面的定义1. 引言超疏水表面是一种特殊的表面结构，其具有非常强的疏水性质，即液体在其上无法附着。
这种表面的应用潜力巨大，可以在许多领域发挥重要作用，如自清洁涂层、防污染材料、液滴传感器等。
本文将详细介绍超疏水表面的定义、原理、制备方法以及应用领域。
2. 超疏水表面的定义超疏水表面是指具有非常高的接触角和低的滑移角的表面。
接触角是指液体与固体界面上形成的接触线与固体表面之间形成的夹角，而滑移角则是指液体在固体表面上滑动时形成的夹角。
当接触角大于90度且滑移角接近于0度时，就可以将该表面称为超疏水表面。
3. 超疏水表面的原理超疏水表面的疏水性质主要源于两个方面：微纳米结构和化学改性。
3.1 微纳米结构超疏水表面通常具有微纳米级别的结构特征，如微凸起、纳米柱状结构等。
这些结构可以使液体在表面上只接触到少量的固体区域，从而减小了液体与固体之间的接触面积，使接触角增大。
微纳米结构还可以形成空气层，在液体滑过表面时降低摩擦力，从而实现液滴无法附着的效果。
3.2 化学改性除了微纳米结构外，化学改性也是实现超疏水表面的重要手段。
通过在表面上引入特定的化学官能团或涂层，可以使表面具有更好的疏水性质。
在聚合物材料上引入氟碳链可以增加表面的亲-疏水性差异，从而提高接触角；在金属材料上进行化学溶液处理可以形成氧化物层，进一步提高疏水性能。
4. 超疏水表面的制备方法制备超疏水表面的方法多种多样，常见的包括物理处理和化学处理。
4.1 物理处理物理处理方法主要是通过改变表面的形貌来实现超疏水性质。
常见的物理处理方法包括刻蚀、薄膜沉积、激光加工等。
刻蚀可以通过化学腐蚀或机械加工来改变表面的形貌，形成微纳米结构；薄膜沉积可以在表面上形成具有特定性质的涂层；激光加工则可以通过瞬间高温和高压来改变材料表面的形貌。
4.2 化学处理化学处理方法主要是通过在材料表面引入特定的化学官能团或涂层来实现超疏水性质。
常见的化学处理方法包括溶液浸泡、溶胶凝胶法、自组装等。
超疏水流体减阻表面
参考资料：
[1] Christophe Ybert, Catherine Barentin, Cécile Cottin-Bizonne, Pierre Joseph, Lydéric Bocquet. Achieving large slip with superhydrophobic surfaces: Scaling laws for generic geometries. PHYSICS OF FLUIDS 19, 123601 (2007).
其中 为气体 面积尺度
//疏水性较差的情况
3.2 液体黏度影响
//流体Stokes方程
单根柱单位长度 受到的力作用
*柱阵列结构摩擦系数的计算公式，参考A. S. Sangani, A.
Acrivos. Int. J. Multiphase Flow 8, 343 (1982).
3.3 压强影响
Rev. Fluid Mech. 2010. 42:89–109.
[4] P. Joseph, C. Cottin-Bizonne, J.-M. Benoˆt, C. Ybert, C. Journet, P. Tabeling, L. Bocquet. Slippage of Water Past Superhydrophobic Carbon Nanotube Forests in Microchannels. PRL 97, 156104 (2006).
//sin θ θ
Choi等人通过对光栅结构超疏水表面进行流体减阻实 验测试,测试的表面如下图所示,他们将测试结果与 Philips的理论分析进行了比较,取得了很好的一致性.
方柱表面关系验证
理论预测结果 与数值计算结 果的比较
超疏水表面水下减阻技术研究进展
超疏水表面水下减阻技术研究进展
张春来;王潇;吴银涛;王波
【期刊名称】《功能材料与器件学报》
【年(卷),期】2021()5
【摘要】超疏水表面能够通过形成水下气液界面有效降低流体的摩擦阻力,具有良好的减阻性能,在水下航行器、微流体器件及管道运输等领域有着广阔的应用前景。
本文基于超疏水表面的润湿特性,讨论介绍了其表面产生减阻现象的机理,重点总结了国内外超疏水表面减阻效率的影响因素与水下气液界面增稳、恢复问题的研究现状。
最后,对超疏水表面在水下减阻应用上面临的问题和发展前景进行了探讨,为超疏水表面水下减阻技术的研发工作提供参考。
【总页数】11页(P445-455)
【作者】张春来;王潇;吴银涛;王波
【作者单位】北京工业大学材料与制造学部
【正文语种】中文
【中图分类】U661.311
【相关文献】
1.疏水微形貌表面水下减阻研究进展
2.超疏水表面减阻特性的研究进展
3.超疏水表面滑移理论及其减阻应用研究进展
4.仿生超疏水表面减阻性能的研究进展
5.仿生
超疏水表面减阻性能的研究进展
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流体流动减阻终稿
流体流动减阻技术综述Xx（能源科学与工程学院，热能工程系）摘要：目前, 对于流动减阻的相关研究和应用越来越多, 许多有效的流动减阻方法得到了广泛的应用。
对于这些方法的减阻机理, 一般认为是通过增加粘性底层的厚度实现减阻的。
其中超疏水表面减阻是当前研究的热点，应用前景十分广阔。
表面浸润性是固体表面重要特性之一，通常采用液滴在表面的接触角大小来衡量，当表面接触角大于 150°时，该表面被称为超疏水表面。
表面微细粗糙结构是获得超疏水表面的关键。
随着微纳米科技的发展，超疏水表面的可控加工成为可能，由于其广阔的应用前景，超疏水表面的浸润性及其应用成为研究的热点。
然而,目前关于流动减阻机理的研究还不是十分成熟, 需要进一步进行研究。
关键词：热能工程；减阻；滑移长度；超疏水表面中图分类号：文献标识码：文章编号：Review of technology on the fluid flow drag reductionJIANG Tao(School of energy science and engineering, Department of thermal engineering)Abstract：“Drag Reduction”is a hotspot research of the hydrodynamics with more and more research work and applica-tions. Many drage reduction methods are used widely, and the mechanism research of these methods are also developing.Generally speaking, the thickening of the viscous sublayer is the main academic reason.In all the methods,The super hydrophobic surface drag reduction is the focus of current research, and has very broad application prospects.The wettability is one of the key features of solid surface, usually the contact angle of droplets on the surface is used to measure wettability, when the contact angle is greater than 150°, this surface is called super-hydrophobic surface.the microstructure on the surface is the key factor to get superhydrophobic surface. With the development of microprocessing technology, man-made superhydrophobic surface is possible. Because of its broad application, the wettability and application of superhydrophobic surface become a hot research.But the research work of the drag reduction is not so mature, need more further development.Key words：thermal engineering;drag reduction; slip length;super hydrophobic surface0 引言能源问题一直以来都受到世界各国的重视，实际工程里到处可以看到换热和流动的问题，如化工、石油、动力以及航空、航天、核能等工业部门。
湍流状态下超疏水表面流场减阻特性数值仿真研究
湍流状态下超疏水表面流场减阻特性数值仿真研究宋东;胡海豹;宋保维【摘要】The turbulent flow in a channel with superhydrophobic surface was studied by numerical-simulation, and the drag of the surface was analyzed. We applied structural grid to grid the field,and VOF model and Realizable k-e turbulent model to make the simulation. It shows that: the wall slip and low turbulent en-erage near the wall are the importment factors 'that make the drag of hydrophobic surface reduced; the volume of the air in the cavity influences the drag of superhydrophobic surface obviously, however, the drag reduction still exit even if the cavity were full of water.%通过对湍流状态下具有特定微观尺寸的超疏水表面流场进行数值仿真计算,对超疏水表面流场的减阻特性进行了分析.针对超疏水表面矩形微观形貌特点,计算域采用结构化网格进行划分,采用VOF多相流模型,Realizable湍流模型,对超疏水表面流场进行仿真.结果表明:受微观形貌的影响,超疏水表面在宏观上的壁面滑移、微观凹坑处的低剪应力和近壁面的低湍流度是其具有减阻特性的重要原因；超疏水表面减阻特性受凹坑内空气体积比影响很大,但是在凹坑内全充满液体条件下,依然具有减阻效果.【期刊名称】《空气动力学学报》【年(卷),期】2012(030)002【总页数】5页(P233-237)【关键词】湍流;超疏水表面;减阻;滑移;空气体积比【作者】宋东;胡海豹;宋保维【作者单位】西北工业大学航海学院,陕西西安 710072;西北工业大学航海学院,陕西西安 710072;西北工业大学航海学院,陕西西安 710072【正文语种】中文【中图分类】V211.30 引言超疏水表面（Superhydrophobic surface）是指其上液滴的表观接触角大于150°的固体表面，在防水、防污染、防氧化、自清洁等多种领域具有广阔的应用前景，超疏水表面减阻因其巨大的潜在应用价值，近几年引起人们越来越多的关注。
超疏水流体减阻表面38页PPT
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29、勇猛、大胆和坚定的决心能够抵得上武器的精良。——达·芬奇
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30、意志是一个强壮的盲人，倚靠在明眼的跛子肩上。——叔本华
谢谢！
38
超疏水流体减阻表面
56、极端的法规，就是极端的不公。 ——西 塞罗 57、法律一旦成为人们的需要，人们 就不再 配享受 自由了 。—— 毕达哥 拉斯 58、法律规定的惩罚不是为了私人的 利益， 而是为 了公共 的利益 ；一部 分靠有 害的强 制，一 部分靠 榜样的 效力。 ——格 老秀斯 59、假如没有法律他们会更快乐的话 ，那么 法律作 为一件 无用之 物自己 就会消 灭。— —洛克
60、人民的幸福是至高无个的法。— —西塞 罗
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26、要使整个人生都过得舒适、愉快，这是不可能的，因为人类必须具备一种能应付逆境的态度。上进的力量，才是成功的保证。——罗曼·罗兰
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28、知之者不如好之者，好之者不如乐之者。——孔子
浙江工业大学冯杰教授课题组发现超疏水表面新应用
浙江工业大学冯杰教授课题组发现超疏水表面新应用仿生超疏水表面在过去20余年被广泛研究，先后报道的应用领域包括雨水自清洁、冷凝弹跳自清洁、疏冰抑霜、流体减阻、抗雾、透明减反、以及油水分离等。
最近，浙江工业大学冯杰教授课题组发现，超疏水表面还可以明显抗干灰尘沉积（ACS Applied Materials & Interfaces, 2018, 10(46), 40219-40227）。
这一结论其实是课题组在研发彩色、酷冷反红外表面的过程中意外发现并论证得到的。
近年来，建筑节能广受重视，炎炎夏日，建筑物的楼顶和外墙均受到烈日中红外线的辐射，大幅提升了空调能耗。
酷冷反红外颜料可以缓解这一难题，但由它制造的酷冷涂层或薄膜表面，很容易粘附灰尘。
后者会使酷冷表面对红外线的反射率很快下降。
课题组原本指望超疏水表面靠雨水自清洁抵抗灰尘粘附，进而确保酷冷表面反红外性能稳定。
但在户外一个月试验后，却发现即使不下雨，无冷凝水，超疏水表面也性能稳定，而对照表面（反红外但不超疏水），反红外率明显下降（下降30%）（图1）。
扫描电镜发现，超疏水表面鲜有灰尘沉积，而对照表面落满灰尘（图2）。
Figure 1 UV-visible-infrared reflectance of the LDPE film containing 5.0 wt% black “cool cold” pigments after being placed outdoors for 30 days without rain. A: superhydrophobic (SH) films; B: general films.Figure 2. SEM images of LDPE general film (A/B) and superhydrophobic film (C/D) both containing 5.0 wt% black” cool cold” pigments after been placed outdoors for 30 days without rain. B, D are magnified images of A, C, respectively.模拟灰尘沉积实验进一步证明，超疏水表面户外抗灰尘沉积的机理在于较低的固-固相互作用力使得灰尘可以被微风带走。
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第一节 表面滑移与减阻
第一节 表面滑移与减阻
表面流体滑 移减阻研究
第一节 表面滑移与减阻
第一节 表面滑移与减阻
Байду номын сангаас
第一节 表面滑移与减阻
第一节 表面滑移与减阻
第一节 表面滑移与减阻
2
1.5
(q'-q)/q
1
0.5
0
0
0.5
1
1.5
2
b/H
从流量上考虑,滑移长度需要达到器件尺度才能引起可 观的流体效应.
第四节 超疏水表面减阻测试
4.1 流量压强差测试
4.1 流量压强差测试
4.2 粒子测速
第一，测量系统对壁面的定位精度； 第二，测量系统对纳米粒子的定位精度。颗粒直径大 于滑移长度的值
4.3 液滴滚落测试
4.4 力曲线测试
4.5 流变仪测试
总结
➢介绍了表面滑移与减阻的概念以及它们之间的关系; ➢介绍了超疏水表面减阻原理，通过实例直观说明了 减阻现象; ➢介绍了超疏水表面减阻的影响因素，包括表面结构、 流体黏度、液体压强等影响; ➢介绍了表面减阻效果的测量方法
第二节 超疏水表面减阻原理
➢复合界面的存在; ➢液体受到气体的阻力作用小
流体速度分布
流体速度分布
压强差随流动率的变化
Cassie状态存在条件
第三节 超疏水表面减阻影响因素
3.1 几何影响关系 //流体阻力和摩擦力表示 //Navier滑移
//理想超疏水表面
//72年Philips的 结果
[5] Choongyeop Lee, Chang-Hwan Choi, Chang-Jin ‘‘CJ’’ Kim. Structured Surfaces for a Giant Liquid Slip. PRL 101, 064501 (2008).
内容提要:
➢表面滑移与减阻; ➢超疏水表面减阻原理; ➢超疏水表面减阻的影响因素; ➢超疏水表面减阻效果的测量
第四讲 超疏水流体减阻表面
参考资料：
[1] Christophe Ybert, Catherine Barentin, Cécile Cottin-Bizonne, Pierre Joseph, Lydéric Bocquet. Achieving large slip with superhydrophobic surfaces: Scaling laws for generic geometries. PHYSICS OF FLUIDS 19, 123601 (2007).
其中 为气体 面积尺度
//疏水性较差的情况
3.2 液体黏度影响
//流体Stokes方程
单根柱单位长度 受到的力作用
*柱阵列结构摩擦系数的计算公式，参考A. S. Sangani, A.
Acrivos. Int. J. Multiphase Flow 8, 343 (1982).
3.3 压强影响
//sin θ θ
Choi等人通过对光栅结构超疏水表面进行流体减阻实 验测试,测试的表面如下图所示,他们将测试结果与 Philips的理论分析进行了比较,取得了很好的一致性.
方柱表面关系验证
理论预测结果 与数值计算结 果的比较
考虑到固体表面上流体的滑移情况,滑移长度可表示为:
此时考察
流体速度为
[2] Eric Lauga, Howard A. Stone. Effective slip in pressure-driven Stokes flow. J. Fluid Mech. (2003), vol. 489, pp. 55–77.
[3] Jonathan P. Rothstein. Slip on Superhydrophobic Surfaces. Annu.
Rev. Fluid Mech. 2010. 42:89–109.
[4] P. Joseph, C. Cottin-Bizonne, J.-M. Benoˆt, C. Ybert, C. Journet, P. Tabeling, L. Bocquet. Slippage of Water Past Superhydrophobic Carbon Nanotube Forests in Microchannels. PRL 97, 156104 (2006).