疏水性微结构表面的抗结冰特性仿真研究

目的探究不同形状微结构表面的疏水、抗结冰特性,以及两者间的关系。方法基于有限体积法对液滴滴落至微结构表面的浸润和凝结过程进行仿真探究。首先建立了具有不同形状微沟槽表面的仿真模型,然后分析了不同微结构表面的疏水特性差异,最后根据不同微结构表面的水滴滴落凝结行为及内部流场的仿真研究,获得了微结构表面疏水性和疏冰性关系,揭示疏冰性产生的原因。结果矩形微结构表面液滴的接触角为109°,表现出疏水特性。锯齿形微结构表面液滴的接触角为162°,表现出超疏水特性。液滴在锯齿形微结构表面上20 ms后凝结率低于2%,抗结冰能力最强。普通表面上的液滴凝结率为4%,低于矩形表面上的6%。对比矩形表面与普通表面上的液滴凝结过程,矩形表面上液滴内部湍流动能是普通表面上液滴的5倍,经过20 ms后,普通表面上液滴近壁面温度下降30 K,同时矩形微结构表面上液滴近壁面温度仅下降10 K。结论具有微结构的表面能表现出疏水性,这种疏水性对抗结冰特性具有双重作用,一方面降低了液滴初期的凝结速度,另一方面加快了液滴在底层形成稳定冰层后的凝结速度。     

非光滑表面减阻研究进展

基于仿生学研究发展的非光滑表面减阻技术在海洋工程装备和高技术船舶等领域具有广阔的应用而备受学者关注。对非光滑表面减阻的研究方法进行了系统介绍,概述了沟槽、凹坑和自适应3种非光滑表面的相关研究进展：（1）沟槽表面的减阻机理以及沟槽结构的几何参数、形状和排布等对减阻性能的影响;（2）凹坑表面应用于旋成体及平板上的减阻效果和湍流流动中凹坑表面上的流动结构和减阻性能;（3）自适应表面的理论模型,自适应表面的减阻机理,以及壁面运动对流动转捩和湍流结构的影响。最后总结了这3种非光滑表面的减阻效果以及相关减阻机理的研究趋势,并指出非光滑表面减阻在未来研究中需要重点关注的问题。从已有的研究成果和部分应用成果来看,非光滑表面具有巨大的工程价值和广阔的应用潜力。本文旨在更具体、全面地了解非光滑表面减阻,从而为改进当前的减阻节能技术提供必要的理论基础。     

仿生表面减阻的研究现状与进展

仿生表面减阻是众多减阻方法中非常有前景的减阻方式。目前研究最多的是仿生鲨鱼皮减阻和仿生超疏水表面减阻,其中仿生鲨鱼皮表面减阻又分为直接复刻鲨鱼皮表面的盾鳞结构和仿鲨鱼皮沟槽减阻。文中介绍了国内外关于仿生减阻的最新研究进展及成果,综述了仿生鲨鱼皮表面减阻和仿生超疏水表面减阻的研究现状,探讨了仿生表面减阻未来的发展方向和研究重点。虽然仿生超疏水表面一般都具有粗糙的表面微纳结构以及较低的表面能,但不是所有的超疏水表面都具有减阻效果,因此超疏水表面的减阻效果还需要一个度量标准。     

低速大扭矩水压马达配流副仿生凹坑形非光滑表面流场分析

通过在低速大扭矩水压马达配流盘上设计了不同凹坑形仿生非光滑表面,并建立配流副的全水动压润滑模型,采用CFD方法研究了凹坑的不同开口形状和截面形状对内部液体流动的影响及其对流体动压润滑性能的影响规律。结果表明:在凹坑截面形状、开口尺寸及凹坑深度相同的情况下,开口形状为圆形的凹坑形仿生非光滑表面的液膜表面压力分布情况要略好于开口形状为正方形和三角形的凹坑形仿生非光滑表面的液膜表面压力分布情况;凹坑开口形状都为圆形时,截面形状为半圆形的半球坑与截面形状为矩形的圆形柱坑、截面形状为三角形的圆形锥坑相比,其液膜表面压力分布情况较好,液膜表面承载力略大,流体动压润滑性能较好。     

横向间断肋条湍流减阻大涡模拟分析

目的 通过改变肋条结构,提高传统肋条的减阻效果。方法 基于Walsh肋条减阻实验,利用LES理论的WALE模型以及PISO算法,对传统连续肋条及新型间断肋条进行了仿真模拟计算,其中梯度求解基于Green-Gauss节点格式,压力求解采用二阶格式,动量方程求解采用中心差分格式,时间离散采用二阶隐式格式。通过对比分析两种不同肋条结构流场湍流流动的细节及肋条的减阻率,探究新型肋条结构的减阻作用和机理。结果 LES方法准确地再现了Wlash实验的流场细节及计算结果,相同计算条件下,传统连续肋条表面摩擦减阻率和黏性减阻率均为4.641%,而新型间断肋条表面摩擦减阻与黏性减阻率高达9.317%和6.306%。结论 新型间断肋条相较于传统连续肋条的表面摩擦减阻率和黏性减阻率皆得到了较大的提升。新型间断肋条具有较高的减阻率是由于横向肋条阻断作用使得大涡旋受到抑制而分裂成较小的涡旋,降低了近壁面流体的流速,减弱了湍流扰动对流体的影响,使低速流体更加稳定的发展。     

仿生织构图案的设计、加工及应用的研究进展

表面织构在提升零件的耐磨性、界面接触的减摩性、材料表面的减阻性以及增强或降低材料的吸附性等方面展现出良好的效果.根据表面功能的不同,分别从耐磨表面、减阻表面、疏水表面、粘(脱)附性表面进行研究,综述了各种仿生织构的设计、加工及应用现状.研究发现,耐磨仿生织构图案尺寸相对较大,多在20μm以上,稳定的结构可以承受较大的外力;减阻疏水表面具有细微的突起状结构,能有效地通过微结构改变表面力学性能;粘附性表面得益于生物体微结构的形状尺寸,毛状微结构拥有良好的吸附性.加工方式上,激光刻蚀能精确控制加工尺寸和几何形状,化学刻蚀能得到更细微的表面形貌.仿生织构在机械密封、活塞环、刀具、滑动轴承及齿轮等应用上起到了良好的效果,但是截至目前,表面仿生织构研究较杂,并且未形成体系,相关设计和作用机理并不完善.通过分析仿生织构图案的功能性设计、多尺度复合加工和对零件服役性能的影响,为仿生织构图案的设计提供思路和更加科学的设计方法,并找到适合每种功能表面的加工技术.将仿生学应用于织构技术上,从生物体借鉴优良的功能特性,以期在工程上得到更广泛的应用.     

不同喷气形式对船舶微气泡减阻效果的数值模拟研究

由于不同喷气形式下微气泡减阻的机理不甚清楚,应用流体计算软件Fluent对简化船体模型进行了数值模拟.采用k-ε湍流模型,对两种来流速度、两种喷气流量和六种喷气形式下减阻率的变化进行了计算,并与水池试验进行对比分析,从微气泡体积分数和两相流速度的分布进行研究,总结出一些理论成果,并且进一步考虑对螺旋桨效率的影响.计算结果表明:首中部同时喷气的减阻效果更好.成果可为微气泡减阻技术的实际应用提供理论指导.     

不同喷气形式对船舶微气泡减阻效果的数值模拟研究（英文）

由于不同喷气形式下微气泡减阻的机理不甚清楚,应用流体计算软件Fluent对简化船体模型进行了数值模拟。采用k-ε湍流模型,对两种来流速度、两种喷气流量和六种喷气形式下减阻率的变化进行了计算,并与水池试验进行对比分析,从微气泡体积分数和两相流速度的分布进行研究,总结出一些理论成果,并且进一步考虑对螺旋桨效率的影响。计算结果表明:首中部同时喷气的减阻效果更好。成果可为微气泡减阻技术的实际应用提供理论指导。     

膛线电解加工仿生阴极工作齿设计与研究

为解决膛线阴极相邻齿间电解液流场出现分散、不饱满和漩涡造成阴极烧伤、加工效率低的问题，根据仿生表面减阻机制，设计不同参数分布的仿生结构的工作齿，利用COMSOL仿真分析了仿生结构的形状参数与电解液流速、湍流参数和剪切速率的关系。结果表明：工作齿表面仿生尺寸为s=0.2 mm、h=0.05 mm的仿生结构不仅可以减小摩擦阻力，而且可以有效地稳定间隙流场。采用仿生阴极进行电解加工试验，对加工成型后切片进行测量分析，结果表明：仿生结构阴极满足设计要求，零件的加工精度得到保证。     

非对称通道内亲疏水结构影响下的纳米气泡滑移效应

目的 研究非对称性通道中亲疏水表面结构影响下纳米气泡特征与边界滑移之间的关系,以实现良好的流体减阻效果.方法 采用二元体系分子动力学方法,研究纳米气泡在通道流动中产生的滑移减阻效应.首先建立上下壁面非对称微通道模型,通过考虑微通道流动传热过程,探究纳米气泡影响下的微通道界面速度滑移现象.结果 保持亲水下壁面高度以及上下...     

仿生织构类型及其对表面摩擦性能影响

随着经济的发展,机械加工零件表面的减阻耐磨及抗黏等性能变得尤为重要,为了提高生产加工过程的高效性和节能性,针对零件的表面问题引入仿生织构的概念。 仿生织构是仿照生物体表特殊的纹理在摩擦副表面加工出能够实现减摩降阻润滑效果的微/ 纳结构。 介绍了多种具非光滑结构表面生物,综述了几种典型仿生织构类型,阐明了每种织构类型的摩擦磨损机理;从织构类型、结构设计和加工方法、压强分布、摩擦因数和机理分析、应用与展望等方面进行评述,对应用最为广泛的凹坑型和沟槽型织构结合实例分析其摩擦磨损性能并附以数据论证,通过摩擦因数和磨损机理判断织构的减摩降阻效果,从而进一步实现参数优化。 分析表明:仿生织构对改善摩擦性能具有重要影响,其中摩擦因数是判断摩擦性能的重要因素,加以磨损机理的深入研究,使得减阻耐磨效果较优的织构类型可大幅提高工业效率,结合工业、航天、 汽车等行业中对仿生织构的应用,展望未来仿生织构的广泛研究及在摩擦过程中性能的优化,实现织构化普及应用。     

改善钢铁材料摩擦学行为的表面织构研究现状

钢铁材料广泛应用于诸多工程领域,但其耐磨性差,源于材料表面的摩擦会引起磨损损伤、阻力大、噪声污染等问题,从而导致材料损伤或失效,影响部件局部或整体的正常使用。在材料表面形成表面织构可有效实现减摩/抗磨、减阻、降噪的效果,从而达到改善钢铁材料摩擦学行为的目的。综述了表面织构在改善钢铁材料摩擦学行为方面的研究现状,对钢铁材料表面减摩/抗磨、减阻和降噪表面织构的设计与研究进行了分析与比较,简要阐述了相关机理。干摩擦和润滑条件下,表面织构通过发挥捕捉磨屑、储存润滑剂、流体动压润滑的作用来实现减摩/抗磨;与流体和空气摩擦时,表面织构通过产生二次涡达到减小表面与流体/空气接触面积等作用实现减阻和降噪。最后,展望了能够改善钢铁材料摩擦学行为的表面织构的相关研究思路和方法。     

船舶减阻表面工程技术研究进展

船舶减阻是实现船舶节能减排,构建绿色低碳船舶的关键。船舶被动减阻方法主要有仿生结构减阻、柔性壁减阻、超疏水表面减阻、防污涂层减阻等。按机理将被动减阻方法细分为结构型和物理化学型减阻,结构型减阻是模仿自然界水下生物表面结构以达到减阻效果;物理化学型减阻是赋予表面一定特点,如柔性、超疏水性、防污性等,以通过减少表面摩擦阻力、提高边界稳定性、减轻自重等方式达到船舶减阻的目的。结构型减阻表面构建方法主要有走丝线切割技术(EDM)、滚压成型技术、压印法、浇筑翻模法、涂料喷涂加工技术、激光刻蚀法、三维打印法等;物理化学型减阻表面构建方法主要有涂料喷涂加工技术、旋涂法、化学腐蚀法、溶胶–凝胶法、电化学沉积、静电纺丝、相分离、等离子体处理等。针对以上减阻技术研究现状进行综述,主要从微观机理出发,总结现有文献中制备船舶减阻表面的技术以及存在的问题,并提出多种减阻方法协同作用解决现有问题,指明船舶减阻技术的发展趋势,为船舶减阻技术的研究与应用提供指导。     

恒定流速下三角型沟槽隔水管减阻性能的仿真分析

目的 为了提高隔水管的使用寿命和保障深水钻井的安全性,在只考虑同一流速下的海流力、不同沟槽的布置对隔水管受力影响的工况下,利用织构减阻的原理,将三角型沟槽织构引入隔水管表面来起到降低隔水管绕流阻力的作用.方法 采用大涡数值模拟,建立三角沟槽织构隔水管力学模型,在恒定流速下开展三角型沟槽深度和宽度几何参数对隔水管升阻力系...     

微织构化表面润滑设计与发展分析

随着先进微细加工手段的可及化,近十年来,表面微织构技术有效促进了织构摩擦学的蓬勃发展.针对几种典型润滑工况下的摩擦特性,阐述了表面微织构技术的应用特征,尤其是表面微织构的实施对润滑区摩擦学行为的作用和影响.分析了表面织构在摩擦表面减摩抗磨、润滑减阻和防腐延寿诸方面的施用效果与发展潜力,在智能制造的现实需求下,提出表面织构技术快速发展的历史必然,并明确了表面织构技术应用与理论发展非协调之问题.进一步结合仿生设计思想,从表面微织构的几何结构设计和形貌拓扑优化等方面,评述了表面微织构设计理论与技术发展现状和趋势.着重指出,复合织构化设计理论与方法亟待拓展,仿生织构设计思想常会产生有益效果.最后,讨论了表面微织构技术在高低温等特殊应用背景下的摩擦学行为特征,拓展表面织构技术在极端工况下的应用潜力和工程价值.表面织构技术有望在控制摩擦、减小磨损和改善润滑方面发挥更积极的作用,进而推动我国高端装备相关产业的技术升级.     

在磁场条件下黄铜的磁流变液滑动磨损行为(英文)

采用盘销式摩擦磨损装置进行铜摩擦试验,研究在有、无磁场条件下磁流变液对界面表面的影响。在载荷为20~100N,转速为127~425r/min下旋转2h,进行一系列试验。摩擦因数和磨损率由磨损装置控制,采用扫描电子显微镜(SEM)观察磨损表面的微观组织。此外,采用X射线光谱(EDS)分析磨损表面的化学成分。结果显示,在有、无磁场条件下出现了不同的摩擦磨损系数和性能。同时,研究了载荷和转速对摩擦行为的影响。研究了在有磁场条件下的磨损表面形貌,发现在磨损表面明显存在磁流变颗粒,且脊塑流引起了侧向挤出,这表明磨料磨损是磁流变液的主要磨损机制。