超疏水表面减阻特性的研究进展

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。     

超疏水表面的减阻研究

为探索超疏水表面的减阻机制,利用位错刻蚀法在铝板上制备出接触角为156°、滚动角小于5°的超疏水表面,并分别以具有超疏水表面和亲水表面的铝板为基板,构建了两种流动状态可视化测试的微粒子图像测速(Particle Image Velocimetry ,PIV)微通道,通过PIV粒子图像测试技术对水在超疏水微通道和亲水微通道中的速度流动情况进行实验测定与对比,得出超疏水表面确实有减阻效果,最大减阻效果可达8.72%,并从多角度进行了解释分析.     

超疏水表面制备技术的研究进展

具有非润湿和自清洁特性的超疏水表面由于其广阔的应用前景而引起人们的极大关注.介绍超疏水状态下Wenzel和Cassie-Baxter 2种接触模型及其相互关系,讨论2种模型下表面微细结构对接触角的影响.从构造表面微细结构和低表面能物质修饰2个方面总结近年来超疏水表面制备技术的研究进展,并对超疏水表面的研究进行展望.     

超疏水表面加工技术及耐磨性能研究进展

当前制备的超疏水表面耐磨性能普遍较差,因而其在各领域的应用受到限制。研究表明微纳结构和低表面能是实现功能表面超疏水性能的关键因素,因此,首先基于超疏水表面作用机制,对超疏水表面织构进行了归纳,旨在通过优化表面织构来解决微纳结构易磨损难题;然后对超疏水表面加工技术进行了梳理总结,从成本和效率两个方面分析了降低表面能的措施,为拓展超疏水表面加工体系提供思路;进而详细总结了超疏水表面耐磨性的分析手段,并阐述了提高超疏水表面耐磨性的方法;最后,展望了耐磨性超疏水表面的未来发展前景,以期推动超疏水表面在工程中的大规模应用。     

液滴撞击疏水/超疏水表面运动特性的数值模拟

采用计算流体动力学对液滴撞击疏水/超疏水表面的过程进行数值模拟,分析液滴滴落高度、表面润湿性和表面倾斜角度3个因素对液滴运动的影响。结果表明,随着液滴滴落高度的增大,液滴铺展系数增大,回弹系数减小,滴落高度对液滴铺展系数和回弹系数的影响随表面静态接触角的增大而增大;表面疏水性增强,液滴铺展系数减小,回弹系数增大,滴落高度的增大会减弱表面润湿性对液滴铺展系数和回弹系数的影响;表面倾斜角度增大,液滴铺展系数和回弹系数减小,液滴内部最大速度增大。     

猪笼草蜡质滑移区表面反粘附特性的研究

利用环境扫描电子显微镜(ESEM)和原子力显微镜(AFM)表征红瓶猪笼草蜡质滑移区表面微观形貌,并提取粗糙度的相关参数。利用AFM分别在低载荷和高载荷下对蜡质区表面同一区域进行扫描,在不同条件下的扫描形貌一致,且扫描后的探针针尖上未发现附着污染物。利用胶体探针技术在无针尖的探针悬臂上粘附15 μm SiO2小球,模拟单根刚毛与猪笼草蜡质区表面的接触,并测试蜡质区表面的粘附力和摩擦力,并与不同粗糙度的抛光纸表面做对照。考虑到表面物理化学性质对其粘附特性的重要影响,利用接触角测量仪测量蜡质区表面和同粗糙度范围抛光纸表面对水和二碘甲烷的表观接触角并利用二滴法计算其表面能。研究结果表明：蜡质滑移区表面单个蜡质晶体具有力学稳定性,不会因脱落而污染昆虫的粘附器官,污染学说不成立;表面微粗糙度能有效地减小界面间的接触面积,降低了蜡质滑移区表面的粘附力和摩擦力;蜡质滑移区超疏水特性和低表面能是降低表面粘附力和摩擦力的另一个重要因素,两者共同作用形成了猪笼草蜡质滑移区的反粘附特性。     

表面分析仪器在超疏水表面研究中的应用

超疏水表面制备与研究是近年来材料科学的重要研究方向,超疏水表面的研究离不开表面分析测试仪器。本文简要介绍了超疏水材料的表面特性、理论模型及其制备方法,重点介绍了扫描电子显微镜、X射线光电子能谱、原子力显微镜和表面接触角测试等几种常用表面分析方法的基本原理及其在超疏水表面研究中的具体应用。     

超疏水表面膜的制备

通过化学气相沉积的方法,在具有规则微形貌的硅片表面沉积硅的有机物制备出了超疏水表面,进而对表面的润湿性进行了对比。结果表明:不同的成膜时间和微形貌的结构尺寸直接影响着表面的润湿性;表面的接触角随着时间的增长而增大,但有一时间极限,此后接触角基本不受影响;当微形貌深度一定,随着形貌宽度的增加接触角无明显变化,但超过某一临界值时,接触角下降明显,不再形成超疏水表面。     

粘度对超疏水固体表面减阻影响的实验研究

为了研究流体粘度对微细结构固体表面减阻特性的影响,用飞秒激光加工技术在光滑K9玻璃表面加工出光栅微细结构,并对光滑K9玻璃和光栅结构K9玻璃表面进行硅烷化处理,用AR-G2流变仪测量了不同粘度甘油溶液在两表面的扭矩与剪切速率,根据推导出的减阻率计算公式,计算出它们各自的减阻率。结果表明:超疏水光栅微结构表面与疏水光滑表面相比具有明显的减阻特性;微细结构固体表面的减阻效果随着流体粘度的增加而显著提高。     

超疏水表面液滴的冷凝成长特性研究

利用聚二甲基硅氧烷(PDMS)为基底采用光刻技术制备了微方柱状超疏水表面,分析了冷凝条件下超疏水表面液滴的冷凝生长特征,发现液滴的生长过程可分为微液滴成核冷凝独立生长、冷凝微液滴合并生长以及大液滴生长3个阶段。超疏水表面初始合并的液滴呈Wenzel-Cassie状态和Wenzel状态,随着冷凝液滴的成长,液滴的液-固接触面积与粗糙结构表面的表观面积之比f随着冷凝液滴尺寸的增大而增大,Wenzel-Cassie状态向完全Wenzel状态转变。最后分析了超疏水性破坏的原因。     

非牛顿介质中图形化表面对减阻效果的影响

为研究图形化表面在非牛顿介质中对减阻效果的影响,在微摩擦试验机(UMT)上进行了销盘润滑实验。实验中在硅片的表面刻蚀了纵向和横向2种沟槽以形成不同的表面图形。实验表明,与光滑表面相比,当剪切速率处于牛顿流动区时,沟槽具有一定的减阻效果;而当剪切速率处于剪切稀化区时,沟槽表面的阻力上升;并且横向沟槽表面的阻力总是大于纵向沟槽表面的阻力。流体数值计算的结果表明,横向沟槽侧壁的压差阻力和纵向沟槽侧壁的粘性阻力无法完全补偿沟槽底面上的阻力损失,因而产生了减阻效果。     

物料管道输送的减阻问题

为了提高输送效率和节约能源，使用振动减阻的方法来实现物料的输送减阻，尾砂试验表明，振动减阻是切实可行的，而浆体的浓度和输送速度是两个关键性因素，通过应力液的反射与透射分析，认为应力波在管道垂直方向上传播时逐渐衰减，迫使下层颗粒向上作微波移动，降低了浆体的粘性阻力损失，管道振动对层流附面层有较大影响，使边壁浆体的速度梯度减小，并导致边壁剪切应的降低。同时，使附面层的厚度加大，中性稳定雷诺数增加，阻止流态的转捩。应力波的作用以及附面层的改变，最终导致输送阻力的降低。     

超疏水光栅微结构表面减阻试验研究

为了研究超疏水固体表面的微结构对减阻特性的影响，首先利用飞秒激光加工技术在光滑K9玻璃基面上加工出微脊光栅结构，然后将光滑K9玻璃与光栅结构K9玻璃置于干燥箱内进行硅烷化处理，以降低表面自由能，最后用AR-G2流变仪测量两表面的流变特性，试验用流体为体积分数40%的甘油溶液和水。试验结果表明：两表面均存在明显滑移，即都具有减阻特性，且光栅结构的超疏水表面比光滑结构的疏水表面的减阻效果明显；减阻效果随着流体粘度的增大而增强。     

仿生非光滑汽车表面的减阻分析

基于计算流体力学数值模拟方法,将非光滑表面应用于汽车。通过仿真实验研究非光滑车身表面气动减阻的可行性,并采用正交试验方法,通过计算汽车的空气阻力系数来分析非光滑单元体的形状、大小,以及分布位置和排列方式对减阻性能的影响,根据分析结果得到了合理且能够减阻的汽车仿生非光滑表面结构。     

翼尖小翼减阻特性模拟研究

飞机减阻是当今研究的热点问题,其中诱导阻力减小更是被广泛关注的重点。本文通过国际上通用CFD软件FLUENT分别对平直三维机翼与加装优化设计翼尖小翼的三维机翼进行模拟计算,并对比计算结果,分析翼尖小翼的减阻效果。     

车尾凹坑非光滑表面气动减阻分析与优化设计

以凹坑型非光滑车身尾部气动特性为研究对象,探讨了一种将参数化建模、CFD计算和数值寻优方法相结合的非光滑表面气动减阻优化方法。通过分析凹坑型非光滑单元矩形阵列的气动减阻效果,以矩形排布和非光滑单元体尺寸作为优化对象,采用拉丁超立方抽样方法进行试验设计选取样本点。利用CFD仿真得到样本点的响应值,根据响应值建立了Kriging近似模型。在验证了近似模型可信度的基础上,以近似模型为基础进行全局优化。优化结果表明：车辆尾部凹坑单元体矩形排布最大减阻率可达7.9%,较大程度地改善了空气动力学性能。研究结果为汽车非光滑表面减阻和优化提供了理论依据和参考。     

截面形状对疏水性微肋阵内减阻特性的影响*

在截面为圆形、菱形和椭圆形微肋阵内涂覆不同性能的疏水性涂层,形成疏水性微肋阵。去离子水在疏水性微肋阵内表面的接触角分别为99.5°、119.5°和151.5°。测试去离水以不同流速流经疏水性试验段流道内压力降和摩擦阻力系数。试验结果表明,在相同的接触角和流量下,圆形微肋阵内压力降最高而椭圆形最低;当接触角为99.5°,雷诺数Re低于600时,椭圆形微肋阵内减阻率要高于菱形和圆形微肋阵,当Re>600时前者要低于后两者。随着接触角的增大,圆形内减阻率要明显高于菱形和椭圆形微肋阵,菱形和椭圆形微肋阵在低Re下较为接近,在高Re下前者的减阻率要高于后者;表面疏水性处理能够显著降低摩擦阻力,同时推迟流动分离和尾流区转捩,因此对于分离较早、压差阻力较大的微肋阵的减阻效果更加明显。     

来流马赫数对激光等离子体减阻性能影响

激光等离子体减阻是一种新概念减阻方式,用来减小高超声速飞行器的气动阻力。通过数值模拟的方法研究了飞行高度为30km时,不同来流马赫数对钝头体前部激光等离子体减阻性能的影响。结果表明,通过在钝头体前部注入激光能量形成等离子体能有效减小钝头体受到的阻力。在能量一定的情况下,随着来流马赫数增大,减小的阻力增多,减阻比逐渐减小,即使是在很大的来流马赫数的情况下,仍然有比较好的减阻效果。