非稳态下超疏水表面减阻仿真研究_郭云鹤_图文.pdf

!第!"卷!第!期空气动力学学报#$%&!"!’$&!!!()"!年*月!"#!!!$%&’()!*+"!!,+)+"!!+,-&!()"!"""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""!文章编号")(./"/(."()"!#)!)!(*)1非稳态下超疏水表面减阻仿真研究郭云鹤!宋保维!胡海豹!宋!东#西北工业大学航海学院!陕西西安!1"))1($摘!要$通过开展湍流状态下超疏水表面流场的非稳态数值仿真!给出了超疏水表面气层发展变化过程!并总结出其流动发展稳定时的减阻基本规律%数值仿真中!采用适用于超疏水表面流场特点的非定常雷诺平均模型!气液两相流则采用#23多相流模型!超疏水微结构表面网格剖分采用局部加密技术%研究结果表明"超疏水表面微结构内部气体随流动不断变化!最终在每个凹槽的中上部形成稳定存在的气体漩涡&超疏水表面减阻率随来流速度增加先增大而后降低!随表面自由剪切比的增大而增大!而受凹槽深度影响不显著%关键词$湍流&超疏水表面&非稳态&减阻中图分类号$#(""&!!!!!文献标识码$4!!!!!#收稿日期$()"()""*&!修订日期$()"(")".基金项目$国家自然科学基金重点项目#.)/!.))5$&国家自然科学基金项目#."")5"1/$&陕西省自然科学基础研究计划项目#()")+6"))5$作者简介$郭云鹤#"5/5$!男!安徽淮北人!博士研究生!研究方向"流体力学&789:%";<=;,$<,-=>!?:-9&@--!引!言!!超疏水表面减阻已经引起了巨大关注!其减阻机理也成为当今的研究热门%图"为荷叶和蝉翼表面的微观结构!可以看出其表面并不光滑!而是存在着复杂的微纳米结构!这种微纳米结构是其具有超疏水性的关键因素之一%与其它减阻技术相比!改变运动体表面微结构及组成!构筑具有疏水性能的表面具有经济简便!技术可行性强等优点%越来越多的研究已经显示出了超疏水材料在减小流体阻力方面具有良好的应用前景%图.!荷叶和蝉翼表面微观结构/012.!*0345674837849!5:!7;9!684:<39!=>!?5786?9<:!<***@A!******@1!5:!303<A<!通过控制固体表面的化学组成!使固体表面的自由能降低!可以达到的最大接触角约为"()A’"(%对大于".)A的高表观接触角#超疏水表面$!则是低表面能与粗糙微结构共同作用的结果%为解释上述超疏水表面的接触角现象!B9??:>’((提出了可以将粗糙的固体表面设想为固气的复合表面#图(所示为其理论模型$%当固体表面的粗糙不均匀性表现到一定程度时!气体就更容易被液体截留在固体表面的凹谷部位!形成气固液三相接触!这种假设更接近真实情况%图C!"<6609模型示意图/012C!,3;9D<703!A0<14<D!5:!"<6609!D5A9?!!基于B9??:>接触模型假设!国内外多位学者开展了疏水表面减阻仿真研究%C9,;9!7和DE$->!F4’!(数值分析了圆管内的滑移流动!结果与G<H>%%!+I!J和4EE9HK!L’M(的实验描述一致!然而其充分发展层流的假设高估了气层区的流速!并在简化模型中忽略了气泡的三维粘性耗散结构!导致了滑移的增大%赵士林’.(报道了超疏水表面二维数值模拟研究!得出微通道高度越小!无量纲压降比越大!滑移