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。     

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。     

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。     

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%。     

微结构表面上流体流动的数值模拟

根据固液界面的复合接触模式,考察了液体在光栅表面上的流动.运用二阶中心差分方法对Navier-Stokes方程进行离散求解,采用了零滑移和零剪切交错边界条件,开发了一个用于计算二维流动参数的计算系统.运用该系统对二维管道进行了模拟,得到了管道内流体的速度分布和压强分布,并计算了管道的减阻情况.计算结果与以往类似结果对比说明了系统的理论基础和实施方案的正确性;计算结果表明,流体在光滑与光栅结构表面构成的管道中的压强分布存在一定差异,光栅结构表面具有一定的减阻性能.最后,通过对不同的表面结构参数进行数值实验,得出了用于减阻衡量的关系式.     

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。     

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。     

仿鱼鳞的减阻表面设计

基于对鱼鳞减阻原理的分析,讨论了不同鱼类表面的牺牲性粘液减阻、表面切向流减阻两种原理;提出了针对不同粘度介质中的运动物体,应采用相应的减阻表面设计;分析了鱼鳞的结构布置与几何曲线,提出了模仿鱼鳞原理与结构进行减阻表面仿生设计的方法,这对在水和其它流体中运动的机械表面减阻设计具有指导意义。     

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。     

凹坑非光滑表面减阻技术数值模拟研究

对于管道输送,减小输送阻力消耗十分重要.对于减小输送阻力消耗,应用非光滑表面减阻技术尤为关键.利用流体力学知识,通过使用数值模拟软件,建立凹坑理论模型,以RNG κ-ε模型为基础进行分析,模拟计算了光滑表面和矩阵排布的凹坑表面.将两种表面流场分别进行数值模拟,得到不同的减阻效果.通过计算分析可以得出,在不同速度下,发现...     

微结构表面上流体流动的数值模拟

根据固液界面的复合接触模式,考察了液体在光栅表面上的流动。运用二阶中心差分方法对Navier-Stokes方程进行离散求解,采用了零滑移和零剪切交错边界条件,开发了一个用于计算二维流动参数的计算系统。运用该系统对二维管道进行了模拟,得到了管道内流体的速度分布和压强分布,并计算了管道的减阻情况。计算结果与以往类似结果对比说明了系统的理论基础和实施方案的正确性;计算结果表明,流体在光滑与光栅结构表面构成的管道中的压强分布存在一定差异,光栅结构表面具有一定的减阻性能。最后,通过对不同的表面结构参数进行数值实验,得出了用于减阻衡量的关系式。
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表面形貌在面面接触乏油状态下的减阻效果实验

采用磨削加工处理和刮研处理加工了2种表面形貌,在Falex摩擦磨损实验机上进行了2种表面形貌在平面-平面接触、乏油润滑状态下的减阻效果实验。结果表明,与磨削加工处理的接触表面相比,宽刮加工处理的表面具有某种特殊的鱼鳞状浅坑形貌,摩擦面间摩擦力显著较小,即平面-平面接触、乏油润滑状态下有一定减阻效果。     

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.     

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。     

厢式运输车厢体的气膜减阻法试验研究

针对厢式运输车厢体表面减阻问题,提出一种基于气膜减阻的厢式运输车厢体风阻减阻方法。设计气膜发生器和可变风速测阻装置,分别以安装和未安装该气膜发生器的厢式运输车模型为试验研究对象,在可变风速测阻装置中进行风阻测试。结果表明,气膜发生器能够起到一定的减阻效果,从而验证了气膜减阻方法用于厢式运输车厢体减阻是可行的。     

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。     

脊状表面的准LIGA成形技术及其减阻试验研究

为了研究脊状表面的减阻特性,利用准LIGA成形技术在铝合金表面加工了两种不同尺寸的矩形脊状结构。在准LIGA成形技术中,以波长为300～400μm紫外光作为曝光光源,再通过显影、表面活化、微电铸及去胶工艺得到脊状表面。在低速风洞中对制备的脊状表面进行流场测试,获得了其湍流边界层内流动参数的分布情况。试验结果表明,脊状表面改变了边界层内的流场结构,抑制了湍流脉动,降低了湍流度,达到了减阻效果。同时,利用准LIGA成形技术制备脊状表面的方法是可行的。     

表面结构互动减阻机理数值模拟

研究发现,表面织构及仿生表面结构具有改善滑动摩擦特性的作用,但多数的相关工作只关注摩擦副单一表面上的结构对摩擦的影响,而对摩擦副双表面结构互动减阻机理的研究很少.受多足爬行动物的启发,将摩擦副表面结构设计为物体的"足"时,物体可以像蜈蚣一样在对摩副表面结构上爬行滑动,其所受到的摩擦力等于驱动足结构转动的横向力.对足结构的抗弯性能进行设计,可以使接触面之间的滑动摩擦系数很低.有限元模拟表明,在一定条件下互动结构摩擦副的摩擦力可与法向压力无关,从而揭示了一种摩擦减阻的新机制.本研究提出了一种以滑动界面上表面结构的互动作用来控制摩擦力的新颖方法,因此在工程应用中具有很大的潜力.