超疏水表面减阻水洞实验及减阻机理研究

（ ） 文章编号 ： １ ６ ７ ２ ９ ８ ９ ７ ２ ０ １ １ ０ ５ ０ ０ ２ １ ０ ５ － － －
超疏水表面减阻水洞实验及减阻机理研究
黄桥高 ，潘 光 ，武 昊 ，胡海豹 ，宋保维
（ ） 西北工业大学航海学院 ，西安 ７ １ ０ ０ ７ ２ 针对超疏水表面功能材料在流动减阻方面 的 潜 在 应 用 ， 通过水洞实验研究了具有超疏水表面航行器模 摘要 ： 型的阻力特性 ， 获得了其减阻特性曲线 ， 并得到了超过 ２ ０％ 的 减 阻 效 果 。 对 超 疏 水 表 面 进 行 了 表 面 能 特 性 和 滑 移 特性分析 ， 认为表面组分中的疏水基团和表面微观结 构 分 别 导 致 了 超 疏 水 表 面 的 低 表 面 能 效 应 和 壁 面 滑 移 效 应 ， 两者是超疏水表面具有减阻作用的直接原因 。 超疏水表面 ； 水洞实验 ； 表面能 ； 微观结构 ； 减阻机理 关键词 ： Ｏ ３ ５ ７． ５ 文献标识码 ：Ａ 中图分类号 ：
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
表 １ 三分量天平主要技术参数表 ａ ｒ ａ ｍ ｅ ｔ ｅ ｒ ｓ Ｔ ａ ｂ ｌ ｅ １ ａ ｉ ｎ ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｉ ｃ ａ ｌ ｏ ｆ ｔ ｈ ｒ ｅ ｅ ｃ ｏ ｍ ｏ ｎ ｅ ｎ ｔ ｂ ａ ｌ ａ ｎ ｃ ｅ Ｍ － ｐ ｐ
分 角项 目 设计量程 相对误差 灵敏度 量 阻力 ±６ ０ Ｎ ０． ３ ６ ３ １％ ０． ０ １ ５％ ／ ２ ３ ． ２ ９ ０ ７ Ｎ ｍＶ 升力 ±１ ５ ０ Ｎ ０． ０ ６ ０ ４％ 力矩 ±２ ５ Ｎ·ｍ ０． ０ ８ ４ ６％
图 ２ 模型总体构成示意图 Ｆ ｉ ． ２ Ｓ ｃ ｈ ｅ ｍ ａ ｔ ｉ ｃ ｏ ｆ ｅ ｘ ｅ ｒ ｉ ｍ ｅ ｎ ｔ ｍ ｏ ｄ ｅ ｌ ｇ ｐ
［ 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
方法研究了具有平 行 于 流 动 方 向 的 微 结 构 的 超 疏 水
； 收稿日期 ： 修订日期 ： ２ ０ １ ０ １ ０ ０ ８ ２ ０ １ １ ０ ４ ２ ０ － － － － ； ； 基金项目 ：国 家 自 然 科 学 基 金 （ 陕西省自然科学基础研究计划（ 西北工业大学科技创新基金 ５ ０ ８ ３ ５ ０ ０ ９） ２ ０ １ ０ Ｊ Ｑ １ ０ ０ ９） （ ） ； ） 西北工业大学研究生创业种子基金 （ ２ ０ ０ ８ Ｋ Ｊ ０ ２ ０ １ ２ Ｚ ２ ０ １ １ ０ ３ ３
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
wk.baidu.com
。 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
］ ３ ６ － 。Ｃ 者开始关 注 超 疏 水 表 面 减 阻 技 术 的 研 究 ［ ｈ ｏ ｉ
经过硅烷化处 刻蚀具有不同宽度和深度的微槽形貌 ， 理， 通过接触角的测量和流变特性实验研究其疏水性
１ １］ 与流动减阻的关系 。 吕田 ［ 使用数 值 模 拟 方 法 研 究
Ｃ．Ｈ． 通过实 验 对 超 疏 水 表 面 微 通 道 内 水 流 动 时 的滑移效果进行了研究 ， 发现在相同压力下超疏水表
［ ］ １ ２ －
表面的减阻特性 。 结 果 表 明 ： 自 由 剪 切 面 积 增 大 时， 表观滑移速度增加 ， 摩 擦 阻 力 系 数 减 小， 且在相同条 件下湍流状态时 的 减 阻 量 明 显 高 于 层 流 状 态 。 霍 素
９］ 斌［ 在铝制微通道内 壁 上 制 造 出 接 触 角 达 １ 的超 ５ ３ °
均方根误差
０． ０ １ ５％ ０． ０ ２％ ／ ／ ４ ０ ． ６ ７ ２ ０ Ｎ ｍＶ － ６ ． １ ２ ０ １ Ｎ·ｍ ｍＶ －
１． ２ 实验模型的设计及制备 模型的总体 以回转体模型为载体进行水洞实验 ， 构成如图 ２ 所示 ， 由头部曲线段 、 前圆柱段 、 天平连接 段、 后圆柱段及尾部 曲 线 段 ５ 部 分 组 成 ， 其中头部采 尾部采 用 双 参 数 尖 尾 线 型 ， 各段之间分 用半球线型 ， 并用螺纹连接 。 模型全长 ９ 最大直径 段加工 ， ０ ０ ｍｍ， 天平连接段 ９ 前后圆柱段均为３ ６ ０ ｍｍ， ０ ｍｍ， ０ ０ ｍｍ， 超疏水材料喷涂在前后圆柱段上 。 实验过程中 ， 对于 不同表面模型的测试只需更换前后圆柱段即可 ， 这样 不仅提高了不同模型实验状态的一致性 ， 也避免了实 验过程中更换整体模型带来的定位及装夹误差 。
Ｉ ｎ ｖ ｅ ｓ ｔ ｉ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｂ ｏ ｕ ｔ ｄ ｒ ａ ｒ ｅ ｄ ｕ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｗ ａ ｔ ｅ ｒ ｔ ｕ ｎ ｎ ｅ ｌ ｅ ｘ ｅ ｒ ｉ ｍ ｅ ｎ ｔ ｇ ｇ ｐ ｍ ｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｓ ｍ ｏ ｆ ｓ ｕ ｅ ｒ ｈ ｄ ｒ ｏ ｈ ｏ ｂ ｉ ｃ ｓ ｕ ｒ ｆ ａ ｃ ｅ ａ ｎ ｄ ｐ ｙ ｐ
１ 超疏水表面减阻水洞实验
１． １ 实验测试设备 超疏水表面减阻实验在西北工业大学高速水洞实 验室完成 。 该水洞洞体为一个充满水的不锈钢封闭循 在叶轮泵的驱动下水沿管道循环流动 ， 并在工 环管道 ， 作段内形成一个稳定的 、 水速和压力可调的均匀流场 。 实验模型置于工作段内并与测试仪器相连 ， 以测定模 图 １ 为水洞实验装置示意图 。 型的流体动力特性 ，
， ，ＷＵ ，ＨＵ ， ＨＵＡＮＧ Ｑ ｉ ａ ｏ Ｐ ＡＮ Ｇ ｕ ａ ｎ Ｈ ａ ｏ Ｈ ａ ｉ ｂ ａ ｏ Ｓ ＯＮＧ Ｂ ａ ｏ ｅ ｉ ａ ｏ －ｇ － －ｗ ｇ
（ ，Ｎ ， ） Ｃ ｏ ｌ ｌ ｅ ｅ ｏ ｆ Ｍ ａ ｒ ｉ ｎ ｅ ｏ ｒ ｔ ｈ ｗ ｅ ｓ ｔ ｅ ｒ ｎ Ｐ ｏ ｌ ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｉ ｃ ａ ｌ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ Ｘ ｉ ａ ｎ １ ０ ０ ７ ２， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ７ ｇ ｙ ｙ ： ， ｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ Ｆ ｏ ｒ ｔ ｈ ｅ ｄ ｒ ａ ｒ ｅ ｄ ｕ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｌ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｓ ｕ ｅ ｒ ｈ ｄ ｒ ｏ ｈ ｏ ｂ ｉ ｃ ｓ ｕ ｒ ｆ ａ ｃ ｅ ｔ ｈ ｅ ｄ ｒ ａ ｏ ｓ ｓ ｉ ｂ ｌ ｅ Ａ ｇ ｐ ｐ ｐ ｙ ｐ ｇ ｐ ｃ ｈ ａ ｒ ａ ｃ ｔ ｅ ｒ ｉ ｓ ｔ ｉ ｃ ｓ ｏ ｆ ｖ ｅ ｈ ｉ ｃ ｌ ｅ ｍ ｏ ｄ ｅ ｌ ｓ ｗ ｉ ｔ ｈ ｓ ｕ ｅ ｒ ｈ ｄ ｒ ｏ ｈ ｏ ｂ ｉ ｃ ｓ ｕ ｒ ｆ ａ ｃ ｅ ｉ ｓ ｓ ｔ ｕ ｄ ｉ ｅ ｄ ｂ ｗ ａ ｔ ｅ ｒ ｔ ｕ ｎ ｎ ｅ ｌ ｅ ｘ ｅ ｒ ｉ － ｐ ｙ ｐ ｙ ｐ ｍ ｅ ｎ ｔ ． Ｔ ｈ ｅ ｄ ｒ ａ ｃ ｈ ａ ｒ ａ ｃ ｔ ｅ ｒ ｉ ｓ ｔ ｉ ｃ ｃ ｕ ｒ ｖ ｅ ｓ ａ ｎ ｄ ｅ ｘ ｃ ｅ ｓ ｓ ２ ０％ ｅ ｘ ｅ ｒ ｉ ｍ ｅ ｎ ｔ ａ ｌ ｄ ｒ ａ ｒ ｅ ｄ ｕ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｅ ｆ ｆ ｅ ｃ ｔ ａ ｒ ｅ ａ ｃ － ｇ ｐ ｇ ｕ ｉ ｒ ｅ ｄ ． Ｔ ｈ ｅ ｓ ｕ ｒ ｆ ａ ｃ ｅ ｅ ｎ ｅ ｒ ｓ ｅ ｃ ｉ ａ ｌ ｔ ａ ｎ ｄ ｓ ｌ ｉ ｓ ｅ ｃ ｉ ａ ｌ ｔ ｏ ｆ ｓ ｕ ｅ ｒ ｈ ｄ ｒ ｏ ｈ ｏ ｂ ｉ ｃ ｓ ｕ ｒ ｆ ａ ｃ ｅ ａ ｒ ｅ ａ ｎ ａ ｌ ｚ ｅ ｄ ． ｑ ｇ ｙ ｐ ｙ ｐ ｐ ｙ ｐ ｙ ｐ ｙ Ｔ ｈ ｅ ｒ ｅ ｓ ｕ ｌ ｔ ｓ ｉ ｎ ｄ ｉ ｃ ａ ｔ ｅ ｔ ｈ ａ ｔ ｔ ｈ ｅ ｈ ｄ ｒ ｏ ｈ ｏ ｂ ｉ ｃ ｆ ｒ ａ ｍ ｅ ｎ ｔ ｓ ａ ｎ ｄ ｍ ｉ ｃ ｒ ｏ ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅ ｂ ｒ ｉ ｎ ａ ｂ ｏ ｕ ｔ ｌ ｏ ｗ ｓ ｕ ｒ ｆ ａ ｃ ｅ ｙ ｐ ｇ ｇ ，ｗ ｅ ｆ ｆ ｅ ｃ ｔ ａ ｎ ｄ ｗ ａ ｌ ｌ ｓ ｌ ｉ ｅ ｆ ｆ ｅ ｃ ｔ ｒ ｅ ｓ ｅ ｃ ｔ ｉ ｖ ｅ ｌ ｈ ｉ ｃ ｈ ａ ｒ ｅ ｅ ｆ ｆ ｉ ｃ ｉ ｅ ｎ ｔ ｒ ｅ ａ ｓ ｏ ｎ ｓ ｔ ｈ ａ ｔ ｓ ｕ ｅ ｒ ｈ ｄ ｒ ｏ ｈ ｏ ｂ ｉ ｃ ｅ ｎ ｅ ｒ ｐ ｐ ｙ ｐ ｙ ｐ ｇ ｙ ｓ ｕ ｒ ｆ ａ ｃ ｅ ｄ ｒ ａ ｒ ｅ ｄ ｕ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｅ ｆ ｆ ｅ ｃ ｔ ． ｏ ｓ ｓ ｅ ｓ ｓ ｅ ｓ ｇ ｐ ： ； ； ； ｅ ｗ ｏ ｒ ｄ ｓ ｓ ｕ ｅ ｒ ｈ ｄ ｒ ｏ ｈ ｏ ｂ ｉ ｃ ｓ ｕ ｒ ｆ ａ ｃ ｅ ｗ ａ ｔ ｅ ｒ ｔ ｕ ｎ ｎ ｅ ｌ ｅ ｘ ｅ ｒ ｉ ｍ ｅ ｎ ｔ ｓ ｕ ｒ ｆ ａ ｃ ｅ ｅ ｎ ｅ ｒ ｍ ｉ ｃ ｒ ｏ ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ Ｋ － ｐ ｙ ｐ ｐ ｇ ｙ ｙ ； ｔ ｕ ｒ ｅｄ ｒ ａ ｒ ｅ ｄ ｕ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｍ ｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｓ ｍ ｇ
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。
０ 引 言
各种超疏水表面的设计和 随着科学技术的发展 ， 应用已成为研究 的 热 点 。 自 然 界 有 很 多 生 物 都 具 有 超疏水性和自清洁 功 能 ， 例 如 荷 叶 表 面 和 水 黾 腿 部， 其表 面 水 的 接 触 角 都 高 达 １ 滚动角小于 ６ ０ °以 上 ， ５ °