ACP1000冷卻水管道采用超疏水表面 湍流流動數值模擬

任茜，黃忠，盛鋒

（中國核電工程有限公司，北京 100840）

超疏水表面是一種液滴在其上的接觸角大于150°的表面。對超疏水表面的研究最早來源于荷葉表面。1997年德國兩位研究者Barthlott和Neinhuis受荷葉表面的自清潔現象啟發，通過一系列試驗觀察到荷葉表面具有復雜的微納米量級尺度的微觀結構，提出“荷葉效應”。他們發現荷葉表面的這種微觀結構對于荷葉的自清潔和不沾水功能具有重要作用，當使得荷葉表面的蠟質微觀結構破壞時，這些功能也隨之消失。隨后在1999年，Watanabe等發現超疏水表面可以大幅降低湍流流動的摩擦阻力。隨著對超疏水表面研究的深入與制造技術的日趨成熟，其應用也越來越廣泛，在船舶、軍民用的水中航行器等領域都有應用。研究表明，超疏水表面對于層流與湍流皆具有較好的減阻作用。這是由于超疏水表面具有微納米量級的微觀凸起，在表面張力的作用下，液體表面只是部分與粗糙表面固體表面頂端接觸，大部分液體表面與包含在粗糙固體表面之間的氣體接觸，這一部分接觸面的剪切力可以忽略。因此，當流體流過超疏水表面時，微結構內駐留的部分氣體與液體表面接觸，由于氣–液接觸面上的剪切力較小，同時固–液接觸面減小，使得表面的摩擦阻力大大降低。

湍流流動在自然界中廣泛存在，如江河急流、空氣流動都是湍流。圓管內的湍流流動是一種重要的流動，廣泛存在于各種工程系統中，比如核電站中的冷卻水系統、石油輸送管道、城市供水、水利電力和供氣系統以及地鐵系統等。……