超疏水表面上方湍流边界层中涡结构的演化.pdf
从科学家首次研究荷叶的超疏水性质开始,超疏水表面逐渐走入了实验室[1-3].作为一种被动减阻方式,超疏水表面减阻具有无需能量输入和系统相对简单的优点,且减阻性能优异,往往大于15％以上.众所周知,湍流边界层中各统计量和涡分布对其壁面切应力影响重大[4-8],因此研究湍流边界层流动特征是探究表面湍流减阻研究的必经之路.现有研究发现[9-14],超疏水表面可以减弱其上方流场的雷诺应力,并抑制涡结构.本文基于PIV实验数据,对超疏水表面上方湍流边界层中涡结构的演化进行了深入的分析.实验采用粒子图像测速(PIV)的方法在相同水槽中对普通表面和超疏水表面上方湍流边界层流场进行测量,得到两表面上方的瞬时速度场,示意图如图1所示.实验在雷诺数Reθ=990下测量了两表面展向中心位置的流向-法向平面和五个不同流向-展向平面的流场信息(y=3mm,6mm,9mm,17mm,19mm).实验过程中超疏水表面上始终保持有一层气膜.实验中的超疏水表面为不规则微纳二级结构表面,采用表面喷涂的办法进行制备,详细制备方法可参照作者实验室以前的研究[12-14].使用10μL液滴进行接触角测量,测得超疏水表面的静态接触角为160.0°±0.5°,接触角滞后为2.0°±1.7°.表面粗糙度Rt为36.2μm.在我们的实验条件下[13,14],通过壁面摩擦速度计算阻力可得超疏水表面减阻率DR在Reθ=990下可达20.7％.与普通表面结果相比,超疏水表面上方的雷诺应力Tturb+和壁面总剪切力T+在近壁区域被抑制,在0.3<y/δ<0.5区域附近曲线出现第二峰值,意味着部分湍流结构可能从缓冲区上移至对数区.基于瞬时速度场数据,对普通表面和超疏水表面上方流向-壁面法向平面的展向涡分布和不同流向-展向平面的相关结构(低速条带)分布进行了分析,发现超疏水表面上方的近壁涡结构强度减弱?稳定性提高,而在外区涡结构则向远离壁面方向移动,称为“抬升”?其中流向-法向平面的涡结构主要采用旋转强度λci判据来识别,发现在所有实验所测瞬时场中,与普通表面相比,超疏水表面上方最大旋转强度平均减小81.4％,平均旋转强度平均减小33.3％,最大旋转强度的平均位置抬升0.17δ.不同流向-展向平面的相关结构主要采用泰勒冻结假设和条带识别统计算法进行分析,以表面上方低速条带的特征推测发卡涡结构的发展和形态?研究发现,超疏水表面对其上方相干结构的作用可分为两部分来看:在近壁区域,超疏水表面通过引入速度滑移使得其上方的低速条带强度减弱且抬升角减小,更为稳定不易破碎;在外区,超疏水表面上方条带最不稳定的状态与普通表面相比沿远离壁面方向上移了0.14δ(如图2所示),这使得对应发卡涡头部附近的下扫事件距壁面更远,对壁面摩擦贡献减弱.综合来说,超疏水表面的湍流减阻受其气水界面速度滑移和上方湍流结构变化两方面的共同影响.当雷诺数不断增大时,速度滑移带来的影响相对减弱,而湍流结构的影响大大增强.超疏水表面和普通表面上方发卡涡结构的基本发展模式定性来看是相似的,但是定量来看则存在不同?需要补充说明的是,超疏水表面的减阻效果受其界面气膜状态影响很大,本实验中表面气膜一直稳定存在.有研究发现,随着雷诺数增大,表面上方的气膜会不断损耗甚至完全消失,此时,超疏水表面退化为粗糙表面?因此,未来将针对超疏水表面气水界面的稳定性进行进一步的探索研究.
作者：张静娴 姚朝晖 郝鹏飞 田海平 姜楠
作者单位：清华大学工程力学系,100084天津大学力学系,300072
母体文献：北京力学会第二十三届学术年会论文集
会议名称：北京力学会第二十三届学术年会
会议时间：2017年1月14日
会议地点：北京
主办单位：北京力学会
语种：chi
分类号：O35TK1
关键词：超疏水表面 湍流边界层 流动特征 雷诺应力 涡结构
在线出版日期：2020年6月22日
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