超疏水溝槽表面通氣減阻實驗研究1)

馮家興 胡海豹,2) 盧丙舉 秦麗萍 張夢卓 杜 鵬 黃 瀟

?(西北工業大學航海學院,西安 710072)

?(中船重工第七一三研究所,鄭州 450000)

引言

超疏水減阻是近20 年來海洋工程領域關注的一個研究熱點[1-8].Rothstein 等[9]直接觀測超疏水規則微結構表面氣液界面上的流速分布,得到約20μm滑移量和40%減阻量.Ghaemi 等[10]發現在湍流狀態下氣膜層會導致明顯的壁面滑移,并引起近壁區雷諾剪應力和正應力下降約15%.胡海豹等[11]通過在轉子壁面構造潤濕梯度,實現連續氣環的穩定維持,在雷諾數660～1320 內獲得超過70%的穩定減阻量.保持超疏水表面氣膜層的穩定是實現其減阻效果的關鍵[12].但實際上高水壓[13-15]、氣體擴散[16-18]、壓力脈動[19]等因素均會造成超疏水微結構內部氣體流失,減阻失效,甚至增阻.尤其在湍流狀態下[20],流動不穩定性和剪切應力的共同作用,會加速超疏水表面氣膜層的破壞,是目前亟待解決的技術瓶頸.

仿生鯊魚皮溝槽減阻是另一種受到廣泛關注的仿生減阻方法[21-26].20 世紀70 年代,Walsh 等[27]發現無量綱尺寸h+=13,S+=15 時,三角形溝槽表面可減阻8%.Bechert 等[28]則發現V 型溝槽減阻效果最好,最大減阻9.9%.Bacher 等[29-30]認為反向旋轉的流向渦與溝槽尖峰形成的二次渦對相互作用,能抑制低速條帶的展向聚集,削弱湍流猝發強度.姜楠等[24,31]也認為溝槽壁面抑制了湍流邊界層內流體的法向脈動,使渦對強度減弱.

若能利用溝槽結構來減弱流動對超疏水表面氣膜層的破壞作用,會大幅提升表面氣膜層的穩定性.受此啟發,最近已有學者開始研究超疏水溝槽表面聯合減阻.Wang 等[32]通過觀測橫向疏水微溝槽表面氣膜發現,當流速為5 m/s 時,溝槽內氣膜可以穩定存在50 min;流速為11.6 m/s 時,能保持13%的減阻率約1 h,初步證實超疏水和溝槽的結合擁有很大潛力.Ghaemi 等[33]則發現,無量綱間距S+=8.6 和17.3 的超疏水溝槽板分別具有6%和10.1%的減阻效果.Monfared 等[34]在雷諾數300～2769 范圍內,測得超疏水溝槽表面減阻率最大可達56.9%.

上述研究說明,超疏水溝槽表面氣膜層比單純超疏水表面更加穩定,且在較低雷諾數時減阻效果可觀但實際工程應用中,往往需要表面氣膜層和減阻功能能夠長期有效.為此,本文進一步探索了在超疏水溝槽表面通過通氣方式來實現氣膜層長時間維持的可行性.

1 實驗裝置與方法

實驗裝置主要由上水箱、下水箱、離心泵、管道、流量計、測壓和供氣裝置等組成(如圖1).其中,上水箱尺寸為1170 mm×1720 mm×480 mm,距地面高度3750 mm,上下水箱通過離心泵和管路連接;上水箱中水位保持不變,依靠水的重力勢能來驅動水流,雷諾數調節范圍為1.4×104～5.2×104(以管道水力直徑為特征長度).管道材質為無色亞克力(PMMA),截面為60 mm×20 mm 的矩形;實驗平板有效尺寸770 mm×60 mm×20 mm,裝在管道上端面.流量計測量范圍0.8～15 m3/h,工作壓力1.6 MPa;壓力變送器輸出信號范圍4～20 mA,非線性誤差±0.2%;供氣氣缸直徑160 mm、推程1 m,由交流伺服電機和滾珠絲杠來精細驅動.實驗板表面溝槽高度H取1.2 mm,1.6 mm 和2.0 mm,溝槽寬度取S=H,槽間距取L=2 mm.實驗中,為減小偶然誤差,每個數據重復采集100 次.

圖1 實驗裝置及溝槽結構示意圖Fig.1 Experimental apparatus and schematic diagram of groove structure

實驗中采用進口商用超疏水涂層(ultra-ever dry)進行表面超疏水處理.該涂層分底漆、面漆兩層,底漆能與試件表面牢固黏附,面漆凝固后可形成微納復合結構,展現出優越的超疏水效果.施工時,采用氣動噴槍分兩輪進行底漆和面漆噴涂,且時間間隔不小于30 min.經測試,水滴在該超疏水涂層表面接觸角可達165?,滾動角小于2?.

文中超疏水溝槽板減阻率

式中,?P1和?P2分別為光板和超疏水溝槽板對應的管道壓降值.

為表征溝槽尺寸的影響,參照溝槽減阻研究中的處理方法[35],定義無量綱溝槽寬度S+為

式中,S為槽寬,υ 為運動黏性系數,Vτ則表示光板表面的壁面剪切速度,其對應表達式為

其中,τ0表示光板表面的壁面剪切應力,V為平均流速,ρ 為流體密度,D為管道水力直徑.

2 結果與分析

2.1 通氣速率對減阻的影響

為研究通氣對超疏水溝槽表面減阻的影響,這里詳細測試了三種典型尺寸溝槽在一系列不同通氣速率(Qa)下的減阻情況.圖2(a)為溝槽寬度S=1.2 mm 時超疏水溝槽表面壓降隨雷諾數(Re)的變化曲線,其中,“smooth”曲線為光板上的壓降.可以發現,與光板類似,超疏水溝槽表面壓降與雷諾數呈二次方關系(如圖中虛線),且隨Qa增大,曲線整體下移,減阻效果增強;不過,不通氣狀態下(Qa=0),超疏水溝槽表面壓降曲線在光板之上,表現為增阻效果,說明這種大尺寸溝槽引起的粗糙增阻效應此時占主導作用.對比圖2(b)給出的三種通氣速率下超疏水溝槽表面氣膜形態可見,Qa=0 時,受水流剪切作用,超疏水表面氣膜逐漸流失,僅在其微結構內部存留少量氣體.在未轉變成完全浸潤的Wenzel 狀態前,溝槽內部及槽間均處于Wenzel 與Cassie 之間的過渡狀態,此時氣膜厚度小于表面粗糙顆粒高度;Qa=2 mL/s 時部分溝槽內已被氣體充滿,但槽間仍保持與無通氣條件下的狀態一致,說明溝槽對氣體有導向和穩定的作用;Qa=10 mL/s 時超疏水溝槽均被完整的亞毫米級氣膜層包覆.上述不同通氣速率下表面氣膜形態的變化規律,正好解釋了圖2(a)超疏水溝槽表面增阻作用和減阻效果差異的形成原因.

圖2 壓降變化曲線及典型氣膜形態Fig.2 Pressure drop curve and typical gas film morphology

2.2 溝槽尺寸對減阻的影響

圖3 為超疏水溝槽表面減阻率隨雷諾數及溝槽無量綱寬度S+的變化曲線.從圖3(a)和圖3(b)可以看出,恒定通氣速率下,超疏水溝槽表面減阻率隨雷諾數的變化表現為兩種規律.在槽寬S=1.2 mm的超疏水溝槽表面上(圖3(a)),Qa=1 mL/s,2 mL/s,3 mL/s 及4 mL/s 時,隨雷諾數增大,減阻率表現為先減再增后繼續減小的規律(規律I);當增大Qa至5 mL/s,7.5 mL/s 及10 mL/s 時,減阻率則表現為先增后減的規律(規律II).在S=1.6 mm 的超疏水溝槽表面(圖3(b))也存在上述兩種規律,但Qa=5 mL/s 時與圖3(a)不同,表現為規律I;當S進一步增至2 mm時(圖3(c)),所有Qa下均表現為規律I.可見,隨S增大,規律I 對應的通氣速率范圍擴大.規律I 與規律II 產生和轉變的原因將在下節詳細解釋.同時還發現,不通氣時3 種超疏水溝槽表面均表現為增阻效果,且隨溝槽尺寸增大阻力變大,即大尺寸溝槽引起更大的粗糙增阻作用.

圖3 超疏水溝槽表面減阻率隨雷諾數及S+ 變化(線條表示趨勢線)Fig.3 The variation of drag reduction rate with Reynolds number andS+(Lines indicate trend lines)

另外,圖3(d)給出了Re=3.4×104時溝槽尺寸對減阻效果的影響.可以發現,減阻率隨槽寬的擴大先增后減,S+≈76 時減阻率最大.這與單純溝槽表面的減阻規律相似[24],存在減阻效果最佳的溝槽尺寸,且適用于實驗中的所有通氣速率.不過,這里對應的最佳無量綱溝槽尺寸遠大于公認的單純溝槽表面的最優無量綱尺寸(≈15),這是由二者不同的減阻原理導致的.

2.3 氣膜鋪展狀態分析

這里以S=1.2 mm 的超疏水溝槽表面氣膜鋪展狀態為對象對上節減阻規律I 和II 進行分析.圖4(a)～圖4(c)分別為Qa=10 mL/s,Re=1.4×104,Re=3.4×104和Re=5.2×104時氣膜狀態(從圖3(a)知對應于規律II),其中反光部分為氣膜層.圖4(a)中,Re=1.4×104時超疏水溝槽表面上氣膜完整鋪展,且有少量富裕氣體以形狀不一的氣泡形式分布在其表面,這可能導致少量的額外阻力.圖4(b)中,Re增大到3.4×104時,因高水速帶走更多的氣體,使得超疏水溝槽表面氣膜鋪展更趨均勻、平整,此時減阻更佳.但繼續增大Re至5.2×104時(圖4(c)),均勻鋪展的氣膜層會在高速水流沖刷作用下產生局部破損,導致氣液面積比有所減小,減阻率降低.

圖4(d)～圖4(f)分別表示Qa=4 mL/s,Re=2.7×104,Re=3.4×104和Re=4.0×104時表面氣膜鋪展狀態(對應于規律I).觀察圖4(d)發現,Re=2.7×104時溝槽結構引起的展向能壘[36-37]和水流沖刷的共同作用下,使得通入氣體僅在少數溝槽內沿流向鋪展和移動,未實現大面積展向鋪展.此時少數溝槽表面氣膜減阻作用與多數無氣膜覆蓋溝槽引起的粗糙增阻效應同時存在,致使減阻率低.Re增大到3.4×104時(圖4(e)),管道內增強的湍流橫向脈動和剪切作用致使少數溝槽表面氣膜克服了展向能壘,發生部分展向鋪展,氣膜層覆蓋的溝槽條數明顯增加,減阻率上升.繼續增大Re至4.0×104時(圖4(f))發現,此時在強橫向擾動的作用下,氣膜已均勻展向鋪展到整個超疏水溝槽表面,表現出最佳的減阻效果.當進一步增大Re時,則會出現類似圖4(c)的現象,因高水速帶來的大氣量流失,使得均勻鋪展的氣膜層受到破壞,減阻率降低.

2.4 與單純超疏水表面通氣減阻的對比

上述研究結果說明超疏水溝槽表面通氣確實有利于表面氣膜穩定,但這種大尺寸溝槽會造成額外的增阻作用.為更全面評價其減阻效果,圖5 進一步給出了典型通氣速率下單純超疏水表面(SHS)與超疏水溝槽表面減阻率的對比.從圖5 可以發現,與超疏水溝槽表面展現的減阻規律I、規律II 不同,單純超疏水表面減阻率均呈現單調降低趨勢;值得注意的是,單純超疏水表面僅在較低雷諾數時有減阻優勢,但較高雷諾數下超疏水溝槽表面具有更優異的減阻性能;通氣速率Qa=1 mL/s,7.5 mL/s 時,超疏水溝槽表面分別在雷諾數大于4.0×104,2.7×104時展現大于超疏水表面的減阻效果,這說明隨Qa增大,超疏水溝槽表面上有減阻優勢的雷諾數范圍擴大.由此可見,超疏水表面與溝槽的復合既有利于氣膜穩定,還能增強減阻.

圖5 通氣時超疏水和超疏水溝槽表面減阻對比(線條為趨勢線)(續)Fig.5 Comparison of drag reduction rate between superhydrophobic and superhydrophobic groove surface under ventilation state(Lines are trend lines)(continued)

3 結論

通過開展超疏水溝槽表面通氣減阻實驗,分析其減阻規律以及氣膜鋪展狀態,發現:

(1)通氣是長期維持超疏水溝槽表面氣膜層和減阻性能的一種有效方式,且在固定流動條件下存在減阻效果最佳的通氣速率.

(2)與單純溝槽減阻類似,隨溝槽尺寸擴大,超疏水溝槽表面減阻率先增后減,最優無量綱溝槽寬度S+≈76.

(3)與單純超疏水表面通氣不同,高雷諾數下超疏水溝槽表面既有利于氣膜穩定束縛,還可以增強減阻效果,是一種潛在的新型穩定減阻手段.

另外,受實驗裝置的限制,論文未測試出超疏水溝槽表面通氣狀態下氣液界面形態與邊界層流場,相關研究仍有待進一步深入.