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。     

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。     

二级规则微结构对低表面能纳米通道内微流动的影响

以低表面能纳米通道内液态Poiseuille流为对象,采用分子动力学模拟方法研究通道壁面上布置二级规则微结构后对微流动特性的影响规律。数值模拟中,统计系综为微正则系综,势能函数采用LJ/126模型,壁面定义为Rigid-atom壁面,温度校正使用速度定标法,而壁面低表面能属性则通过调整壁面铂原子与液态氩原子间的势能参数来实现。结果表明,布置二级矩形和三角形微结构后壁面附近流体密度法向分布会出现两个振荡阶段,即在微结构内部出现振幅相对较小的次级振荡过程,但通道中心区流动与光滑壁面通道相似;随微结构周期T的增大,二级微结构内密度法向振幅逐渐增大,而近壁面区域振幅则减弱;而二级微结构深度H的增大,则导致其内的次级振荡幅值减小,且分布起点随之下移。另外,随微结构周期T、深度H的增大,通道内流体平均流量均逐渐增大,即呈现更好的减阻效果。     

疏水表面的摩擦阻力特性研究

考虑到单纯的形貌和低表面能涂层减小摩擦阻力的效果有限,利用铝基底、聚四氟乙烯涂层制备了几种表面形貌和低表面涂层相结合的疏水表面,并应用到水下航行体的减阻实验中。结果表明:具有聚四氟乙烯涂层的微形貌结构的表面接触角可超过120°,形成疏水状态;部分疏水表面在减阻实验中具有较好的效果,比只有微形貌的表面的周期性减阻有了更好的稳定性;不是所有的疏水表面都具有减小摩擦力的作用,偏角的方向、进刀量的大小、形貌的周期等许多因素都直接影响着阻力的大小。     

静电气喷磁响应复合微结构功能表面制备研究

提出一种静电气喷法制备磁响应超疏水复合微结构表面以实现微流控液滴传输与驱动应用。首先利用静电气喷法将微米级羰基铁粉和PDMS (Polydimethylsiloxane)混合喷涂到置于磁场中的基底以构建磁响应超疏水表面,热固化后再在表面喷涂纳米碳粉以形成磁响应超疏水复合微结构表面;通过扫描电镜和显微镜分析复合微结构表面形貌,通过接触角测量仪检测功能表面的湿润性,利用液滴与表面的接触和碰撞实验测试表面的黏附性能,以磁响应特性为基础的复合微结构功能表面进行液滴驱动和定向分配应用测试。磁响应超疏水表面和复合微结构表面表现出不同的形貌和性能,喷涂纳米碳粉可以获得微纳米复合结构从而显著提升表面的疏水性和降低表面的黏附性。利用静电气喷法简单有效地制备出的磁响应超疏水复合微结构表面具有优异的超疏水性能和极低的黏附性,从而能实现不同液滴操作,具有广泛的应用前景。     

超短脉冲激光加工超疏水功能性微结构表面

典型微结构的制备,尤其是具备特定功能性微结构表面的高效加工已成为加工制造业的研究热点。以超快皮秒脉冲激光为加工手段,实现超疏水功能性微结构表面的高效制备。试验结果显示,采用脉冲宽度为8.1ps、波长为532nm的超短皮秒脉冲激光可以一次构造出具有微纳双重结构的超疏水功能性微结构表面,其静态接触角可以高达158°,滚动角小于5°。该试验为此类功能性微结构表面的加工及应用开拓了全新的技术方法,应用前景广阔。     

表面微结构的尺寸参数对其减阻性能的影响

为了研究微结构尺寸参数对减阻性能的影响规律，构建了V形、L形及T形三种微结构有限元模型，采用Fluent软件进行数值模拟，分析微结构尺寸参数(高宽比、数量和间距)对减阻率、速度和涡量的影响。结果 相较于L形、T形微结构，V形微结构的减阻性能较优，减阻率可达15.6%。当V形微结构高宽比为1∶1,流体域速度为6 m/s时，减阻效果最优，减阻率可达5%;V形微结构展向数量对减阻性能的影响较小，减阻率在14%-16%之间变化；当间距值为0.05时，减阻率最大为14%。结论 微结构使得近壁区边界层内发生了湍流猝发现象，外部高速流体与壁面区域的流体分隔开，变相的增加了边界层的厚度。同时涡量集中在微结构尖端处，减弱反向旋涡的强度，抑制了低速条带的形成和发展。     

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。     

超疏水微结构表面的制备工艺研究

针对装备表面大面积采用超疏水结构以实现减阻、防污的需求,考虑加工低成本、可重复及高效的目标,采用PDMS模塑工艺来实现超疏水微结构的制备,基于高速微小孔钻削工艺在铝合金表面加工阵列微孔结构作为PDMS浇铸的模具,成功在PDMS膜表面复印出阵列微柱结构,对制备的超疏水微结构PDMS膜进行了加工误差分析,误差为6%。     

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.     

非光滑管道壁面减阻性能研究

旨在研究不同非光滑管道壁面流体摩擦阻力特性差异。基于仿生学原理和平板边界层理论,设计凹坑型、凸起型和波浪型3种非光滑管道壁面造型;采用数值模拟方法揭示不同非光滑管道壁面形态对流体摩擦阻力的影响规律;针对减阻性能最佳的凹坑型非光滑管道壁面,探索不同排列方式与流体减阻性能的关系。计算结果表明:凹坑型非光滑管道壁面沿程阻力系数最小,相比基准管道壁面模型其减阻率可提高35.57%;均匀排列方式的管道沿程减阻效果最显著。研究可对管道内壁面基于纹理减阻提供一定的参考依据。     

一种低流阻表面的流动与传热特性

采用数值模拟方法对流体在有圆孔表面的流动及传热特性进行研究。研究中分别对四种不同的工况进行数值模拟。数值模拟结果所得换热面努塞尔数Nu与采用迪图斯—波尔特(Dittus-Boelter)公式计算所得Nu数进行比较,计算误差均小于5%。研究结果表明,在四种工况下,圆孔表面由于圆孔的存在改变其表面附近流动边界层的流动结构,使得边界层内垂直于壁面的法向速度梯度变小,进而使得边界层厚度增加,且由于圆孔表面下方流体可吸收部分来自边界层以外的动量传递,降低壁面附近的湍流扰动,从而减少损耗,达到明显的减阻效果。计算结果显示:四种工况下圆孔表面的存在使得流动均有不同程度的减阻效果,四种工况中减阻效果最大可达14%;但是随着流动减阻效果的改善,圆孔表面的换热性能均有所降低。     

非光滑表面叶片对离心泵水力性能的影响研究

为了提升离心泵的水力性能，分析了BMS叶片对离心泵性能的影响，以及其在不同流量下的减阻率、内部压力、速度以及壁面剪切力，研究了非光滑表面叶片提升泵水力性能的机理。首先，参照螃蟹上壳表面特征，在离心泵叶片上构建了仿生微球结构；然后，基于CFX,采用RNG k-ε湍流模型对其进行了数值模拟，对比分析了光滑表面与仿生微球表面叶片在各流量下的扬程与水力效率，探究了仿生微球表面水力效率增加率与减阻率的关系；最后，分析了不同流量下微球结构对泵内流体压力、速度以及叶片壁面剪切力的影响。研究结果表明：采用仿生微球结构对离心泵扬程提升率最大为2.5%,其中，在0.6倍额定流量处的提升水力效率表现最好，在0.8～1.4倍额定流量处的水力效率略微降低，水力效率增加率与减阻率变化趋势一致；微球结构使流体旋转失速得到了改善，并破坏了流体涡结构，同时，微球结构使流体压力分布更加均匀，叶片壁面剪切力更低。     

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。     

微通道纳米结构的润湿接触状态对滑移减阻影响的分子动力学研究

针对流体在纳米通道的微尺度流效应,采用分子动力学方法以SPC/E水分子为纳米流动介质,分别计算模拟其在不同纳米结构的微通道内的润湿接触状态和Poiseuille流动行为,研究通过微通道壁面微纳结构改变而导致的不同润湿状态起到的滑移减阻效应.结果表明:纳米结构的周期性增加,会使得壁面的亲疏水性呈现马太效应,从而达到润湿性控制的目的.增加壁面亲水性,会使主流区密度、流体速度和滑移速度都减小;在增加壁面疏水性的过程中,主流区的密度增加;并且流体的状态由Wenzel向Cassie转变,流体速度和滑移长度先减小后增加;而亲疏水转变过程中,随着表征接触角的增加,当动静态流体与壁面的接触状态相同时,流体流动的壁面摩擦因数值呈现单调递减趋势;而当动静态流体与壁面的接触状态存在差异时,摩擦因数会出现轻度无规律波动.     

水下航行器减阻技术研究

对多种水下减阻技术进行了总结,包括沟槽面湍流减阻、柔性面法、微气泡法、疏水减阻技术.对疏水表面用于减阻的最新研究进展进行了分析,指出现阶段疏水表面存在的不足以及用于减阻所面临的问题,提出了多种减阻机理相结合的新型减阻方式.     

单个上升空泡撞击顶部壁面的变形和回弹特性研究

附着在固体壁面的空泡具有减阻的作用,空泡的动力学特性决定其能否实现减阻效果及减阻的程度。从雷诺数和材料表面性质的角度,对单个空泡与壁面相互作用过程中的动力学特性进行研究,通过改变空泡速度、黏度、大小以及壁面表面接触角来探讨雷诺数和材料表面性质对空泡的影响。结果表明,在黏度相同的情况下,空泡最大变形程度随雷诺数的增大而增加,空泡对壁面的冲击力则是随空泡体积的增大而增强。此外,液体黏度的增大会使空泡最大变形程度加强,但却能更快达到稳定,而接近壁面的速度增加以及空泡体积的增大会使得空泡变形程度加剧,且延长空泡达到稳定的时间。材料表面性质方面,空泡的变形程度随固体表面接触角的增大而减小,表面达到超疏水状态,空泡最大变形程度大幅度降低。     

压差流阻测试装置研制及涂层减流阻作用研究

基于压差流阻测量原理,应用高精度压力传感器结合计算机辅助测试软件,研制出管路内壁涂层减阻性能测试装置,经过计算机仿真验证和实际使用验证,设计合理,适用于各种涂层减流阻性能评价,使用方便,测量精度高。通过改变流量和入口水压连续测量管路内部流体压力变化,试验研究了在管道内壁涂敷有机高分子材料(低表面能材料、环氧色漆)的减阻性能,发现低表面能涂层的减阻效果良好,可达21.7%,涂层的减阻原因在于其疏水性和对壁面粗糙度的减小作用。     

脊状表面水下航行器模型减阻实验与数值仿真

针对水下航行器提高航程和航速的需要,开展近壁面湍流边界层减阻的研究.在航行器模型外表面加工具有一定形状尺寸的脊状结构,导致湍流边界层的流动稳定性增强,壁面摩擦阻力降低.开展了轴对称航行器模型在高速水洞中的阻力测试并做了相应条件下的数值仿真,实验和数值仿真的结果基本一致.具有垂直流向脊状表面的航行器模型在一定来流速度范围内具有很好的减阻效果,脊状表面所受的压差阻力略有增大,占总阻力份额80%以上的粘性阻力显著降低,从而形成减阻效果.