微結構表面對運動微生物附著影響*

楊紅月，李春曦，王松嶺，李恒凡

(華北電力大學 動力工程系，河北 保定 071000)

防污技術研究關系到能源產業、海洋開發等領域，電網電廠設備維護、新能源開發利用[1-2]等均以防污研究為基礎.除各類涂層的研究制備外，微結構表面防污技術也是當前的研究熱點.海水冷卻電廠的循環冷卻系統往往因為生物污損產生嚴重堵塞，需要耗費大量人力物力進行除污，因此能源行業防污技術研究具有非常重要的意義[3].

Rajab等[4-5]發現細菌更傾向于附著在微結構的凹槽中，他認為細菌會由自身重力作用沉降在表面結構底部，且底部會提供較大的接觸面積，凹槽側壁面會保護細菌免受水流影響，不易于脫附.Shaikh[6]使用飛秒激光進行表面改性后增加了粗糙度和濕潤性，實驗結果表明，其表面具有抗菌與降低生物膜形成的效果.武漢理工大學白秀琴等[7-9]將鏡蛤殼體的微觀結構簡化為棱紋表面，并根據螃蟹表面100 μm左右的凸起及凸起頂端更細微的結構，設計了6種不同大小間距的圓柱狀凸起.實驗結果表明，經過簡化設計的仿生表面均有防污減阻的效果，間距為4和7 μm的微結構防污效果最優[10].Wang等[11]對貝殼、海星等表面進行了研究，發現這些生物表面分布著幾微米至幾十微米的溝槽或凸起，實驗結果表明，相比光滑表面，仿海星微結構的表面具有較好的防污性能.Won[12]對不同尺寸的棱形條紋圖案進行了數值模擬，比較不同雷諾數下顆粒在棱鏡結構中沉積情況.Jung等[13]模擬了膠體顆粒物在具有脊狀圖案膜表面的沉積情況.隨著雷諾數的增加，微結構膜表面附近形成了懸浮顆粒無法通過流動進入的“不可接近區”，從而減少顆粒沉積.Bin等[14]比較了復合結構分層微柱和非分層微柱的防污情況，模擬結果顯示復合分層微柱上具有更高流速和剪切應力.

本文采用計算流體力學(CFD)模擬微生物在近壁區運動情況，對微結構附近流體特性進行分析，評估不同微結構模型的防污效果，更有利于揭示微結構防污性能和機理，為后續各類防污表面的設計和優化提供支撐.

1 研究方法

1.1 模型參數及邊界條件

假設流體在微通道內做平行于表面的層流運動，通道內表面均為無滑移表面.微生物可在平行于表面方向自由運動，則以下采用二維模擬進行分析.微生物模型簡化為直徑為5 μm的球形，通道長L=500 μm，高度H=300 μm.為消除入口和出口段對流體狀態的影響，在通道入口與出口段設置一定長度的光滑表面.采用動網格對運動情況進行模擬，微生物平均運動速度采用Darnton等[15]的研究結果3×10-5m/s，通道內流場計算參照Halder等[16]所做實驗中流體的低速流動，雷諾數為0.436，入口處自左向右來流v0=0.002 m/s，出口端為自由流，故忽略了微生物重力的作用.

本文建立5種含不同尺寸微坑的微結構表面，記為Micro pit(Mp)，其中微脊寬度為a=2 μm，微坑深和寬分別為h、s，5種微坑尺寸參數如表1所示.表面上方不同高度測量位置為dc.本文采用以下無量綱參數：微坑高寬比β=h/s，歸一化位置參數xe、ye，剪切應力梯度τ表示各點處剪切應力變化率.

表1 微結構表面微坑尺寸Tab.1 Micro-pit size on surface of microstructure μm

1.2 控制方程與計算方法

流體區域連續并在同一速度場內，因此基于連續介質假設的控制方程仍適用.計算中設定水的密度和粘度均為常數，求解定常層流流動，并忽略重力影響.流體計算中的連續性方程和動量方程仍然適用.采用Fluent軟件二維雙精度求解器，速度和壓力采用Simple耦合，動量方程采用二階迎風格式離散.非穩態模型時間步長為0.01 s，當各方向速度等參數的殘差均小于10-6時，則計算結果視為收斂.

2 表面流動特性對微生物附著影響

2.1 表面結構參數對附著效果影響

假定微生物從微脊處開始以3×10-5m/s的速度分別進行順流向、逆流向運動，運動過程中由于表面的粘滯作用及邊界層效應，不同尺寸微結構附近及微坑內部流體流動特性、表面剪切應力存在差異，對微生物附著產生影響.

圖1為6種壁面上方0.1 μm處平均速度.在光滑表面上流動緩慢且速度變化平緩，微生物運動可忽略流動干擾，為微生物沉降和生長提供了有利條件.其他微結構均有較大速度波動，從而影響微生物附著達到防污效果，這與Halder等[16]的實驗研究結果相符，即非仿生幾何形狀表面具備形成良好微流控條件的封閉模式，對防污效果更為有利.

圖1 不同壁面平均速度分布(dc=0.1 μm)Fig.1 Average velocity distribution above different walls (dc=0.1 μm)

圖2為順流向時微坑內中間位置xe=0.5處沿y方向速度分布.Mp2速度分布與層流類似，其速度矢量圖中未發現旋渦流動；其余結構微坑底部均有x方向逆流動，表明微坑中有渦流存在.Mp4、Mp5速度分布相近，Mp3在微坑底部速度分布與Mp1相近.在微坑上半部速度快速增大，到達微坑頂端時，與Mp4、Mp5流速相當，表明h對微坑上部流速影響較大，微坑內渦流形態受β影響較大.

圖2 微坑中間位置速度分布(xe=0.5)Fig.2 Velocity distribution in middle positions of micro-pits (xe=0.5)

Rosenhahn等[17]研究表明，藻類孢子在某處的旋轉作用決定了永久附著的粘附強度，因此微坑中的低速渦流為微生物在微坑中附著創造了有利條件.微坑中間區域由于渦旋存在，速度逐漸減小到0，微生物進入微坑，渦旋中低流速區域越靠近微坑底部，則附著越容易發生.雖然微生物在微坑中可能隨渦流或層流被帶走，但由于微坑內流量較小，存在使微生物被截留在微坑底部邊緣或拐角處的情況.

2.2 入口流速對附著效果影響

圖3為不同流速在Mp1微坑內y方向速度分布.由圖3可以看出，微坑中渦流速度隨入口流速v0增大而增大.當β值固定時，微坑中渦流流速會隨入口流速增加而增加，但入口流速對微坑內低流速區域位置無明顯影響.

圖3 在不同入口速度下微坑內速度分布(xe=0.5)Fig.3 Velocity distribution in micro-pits at different entrance velocities (xe=0.5)

3 微結構表面剪切應力對附著影響

較高的剪切應力將增大微生物從表面分離的可能性，Lee等[18]通過對棱鏡形表面的防污性能進行研究發現：棱鏡結構在CFD模擬中顯示出高剪切應力.因此，高剪切應力和剪切應力波動可以作為研究微生物附著的重要參數.

3.1 微結構參數對附著效果影響

圖4為微結構上方0.1 μm處剪切應力梯度分布情況.由圖4可以看出，剪切應力的快速變化僅集中在微脊，尤其是臺階處，而光滑壁面梯度幾乎為0.微脊中間區域和光滑壁面剪切應力梯度τ相近，因此，微脊寬度的增加會為微生物附著提供可能.

圖4 微結構表面剪切應力梯度Fig.4 Shear stress gradient of microstructural surfaces

3.2 運動狀態對附著效果影響

圖5 不同流向剪切應力梯度Fig.5 Shear stress gradient in different flow directions

3.3 微坑內剪切應力分布影響

圖6、7分別為微坑內流體流入、流出側壁面y方向剪切應力分布.受微坑內摩擦阻力影響，出口側剪切應力低于入口.比較5種微結構可以得到：Mp1微坑內剪切應力最大，左右兩側剪切應力相差最小，這使得Mp1微坑內側壁面剪除掉附著生物的可能性最高.其他尺寸出口側壁面剪切應力顯著減小，當微生物隨微坑內渦流運動碰撞壁面后，可能因動量減小在壁面附著.

圖6 微坑入口側壁面剪切應力Fig.6 Shear stress of side wall at entrance of micro-pits

圖7 微坑出口側壁面剪切應力Fig.7 Shear stress of side wall at outlet of micro-pits

4 結 論

本文建立了5種不同尺寸的矩形微坑表面，并采用CFD技術模擬直徑為5 μm的球形藻在近壁區順流向、逆流向的運動情況.通過考察不同微結構上方和微坑內流速分布、剪切應力分布、剪切應力梯度等情況，分析對微生物附著和脫落的影響，得到以下結論：

1) 微結構表面流體速度明顯高于光滑表面，且呈現周期性波動，使得微結構表面速度梯度變化頻繁(光滑表面則近似為0).5種模型(0.4≤β≤1)模擬結果顯示，β越小，微坑內越難以形成渦旋；β越大，微坑內渦旋低流速區域越靠近微坑表面.由于上層流體發生滑移位置接近微脊，因此β越大，微生物越難以深入微坑形成附著.

2) 微脊處剪切應力和剪切應力梯度隨微坑深度、寬度的增加而增大.模擬結果顯示，微脊臺階處速度和剪切應力均發生較大變化，且不利于附著.當微生物尺寸小于微結構，可在進入微坑后隨內部渦流與壁面發生碰撞，進而在扭結位形成接觸或附著.Mp1微坑內兩側壁面剪切應力顯著高于其他尺寸微坑，這使得進入其內部的微生物難以深度附著，其他微結構在流出側壁面剪切應力顯著小于流入側，微生物容易隨渦流沉積在微坑流出側形成聚集.