搜索

x

留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

基于微空泡效应的疏水性展向微沟槽表面水下减阻研究

王宝 汪家道 陈大融

引用本文:
Citation:

基于微空泡效应的疏水性展向微沟槽表面水下减阻研究

王宝, 汪家道, 陈大融

Drag reduction on hydrophobic transverse grooved surface by underwater gas formed naturally

Wang Bao, Wang Jia-Dao, Chen Da-Rong
PDF
导出引用
  • 超疏水表面在水下的减阻效果随着来流冲刷时间的增加会逐渐减小甚至会出现粗糙增阻的现象,而这种现象的本质在于超疏水表面裂隙中驻留的气相结构在来流的作用下会不断地从表面脱离. 针对超疏水表面的裂隙中驻留的气相结构在水下不稳定的情况. 本文通过对表面微结构的设计,利用疏水性展向微沟槽结构使驻留在沟槽内部的气相结构被相邻沟槽间的脊状结构挡住,从而不能轻易的被水流冲刷掉. 实验结果表明该表面不仅能使气相结构在表面微结构内稳定驻留,而且基于稳定驻留在表面结构内的气相结构,在来流作用下会有新的气相结构生成. 虽然表面上不稳定的气相结构会随流速的增加而加剧地脱离表面,但是可再生的气相结构能够补充由于冲刷从表面脱离的气体. 最终在固/液界面间构建相对稳定的气模. 通过粒子图像测速系统(PIV)对近壁面流场进行分析,可得到大于15% 的速度滑移量.
    Low fluid friction is difficult to obtain on super-hydrophobic surfaces for a large flow velocity, because the entrapped gas within the surface is weakened substantially. Once the gas removed, the friction of the fluid increases markedly due to its own surface roughness. In this study, a hydrophobic transverse microgrooved surface is designed to sustain the air pockets in the valleys for a long time. Direct optical measurements are conducted to observe the entrapped gas when water flows past the surface in the perpendicular direction of grating patterns. More importantly, this hydrophobic transverse micro-grooved surface has been determined to have the capability of automatic formation of gas. Some of the gas is continually carried away from the surface and new gas is continually generated to substitute the lost gas. And the stable slippages at the surface are achieved corresponding to the relative stable gas on this designed surface.
    • 基金项目: 国家自然科学基金(批准号:51075228,51021064)资助的课题.
    • Funds: Project supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 51075228, 51021064).
    [1]

    Shi X H, Wang X J 1995 Introduction to underwater weapon (Torpedo) (Xi’an: Northwestern Polytechnical University Press) p28-33 (in Chinese) [石秀华, 王晓娟 1995 水中兵器概论(鱼雷部分) (西安: 西北工业大学出版社) 第28–33 页]

    [2]

    Ke G X, Pan G, Huang Q G, Hu H B 2009 Adv. Mech. 39 546 (in Chinese)[柯贵喜, 潘光, 黄桥高, 胡海豹2009 力学进展39 546]

    [3]

    Wang X N, Gen X G, Zang D Y 2013 Acta. Phys. Sin. 62 054701 (in Chinese) [王晓娜, 耿兴国, 臧渡洋2013 物理学报62 054701]

    [4]

    Li F C, Cai W H, Zhang H N, Wang Y 2012 Chin. Phys. B 21 114701

    [5]

    Mei D J, Fan B C, Chen Y H, Ye J F 2010 Acta. Phys. Sin. 59 8335 (in Chinese) [梅栋杰, 范宝春, 陈耀慧, 叶经方2010 物理学报59 8335]

    [6]

    Li G, Li S M, Xu Y J, Zhang Y, Li H M, Nie C Q, Zhu J Q 2009 Acta. Phys. Sin. 58 4026 (in Chinese)[李钢, 李轶明, 徐燕骥, 张翼, 李汉明, 聂超群, 朱俊强2009 物理学报58 4026]

    [7]

    Chen G F, Gong M Q, Shen J, Zou X, Wu J F 2010 Acta. Phys. Sin. 59 8669 (in Chinese)[陈高飞, 公茂琼, 沈俊, 邹鑫, 吴剑峰2010 物理学报59 8669]

    [8]

    Gu C Y, Di Q F, Shi L Y, Wu F, Wang W C, Yu Z B 2008 Acta Phys. Sin. 57 3701(in Chinese) [顾春元, 狄勤丰, 施利毅, 吴非, 王文昌, 余祖斌2008 物理学报57 3701]

    [9]

    Gong B Z, Zhang B J 2009 Acta Phys. Sin. 58 1504 (in Chinese)[龚博致, 张秉坚2009 物理学报58 1504]

    [10]

    Vakarelski I U, Marston J O, Chan D Y C, Thoroddsen S T 2011 Phys. Rev. Lett. 106 214501

    [11]

    Niru K, Suresh V G 2011 Langmuir 27 10342

    [12]

    Lee C, Kim C J 2011 Phys. Rev. Lett. 106 014502

    [13]

    Kazuyuki H, Takao S, Fujio Y 2011 Exp. Fluids 50 715

    [14]

    Watanabe K, Udagawa H 1999 J. Fluid Mech. 381 225

    [15]

    Tian J, Xu J F, Xue Q J 1997 J. Hydrodynamics 12 27 (in Chinese) [田军, 徐锦芬, 薛群基1997 水动力学研究与进展12 27]

    [16]

    Lee C, Choi C H, Kim C J 2008 Phys. Rev. Lett. 101 064501

    [17]

    Lee C, Kim C J 2009 Langmuir 25 12812

    [18]

    Choi C H, Ulmanella U, Kim J, Ho C M, Kim C J 2006 Phys. Fluids 18 087105

    [19]

    Choi C H, Kim C J 2006 Phys. Rev. Lett. 96 066001

    [20]

    Tsai P, Peters A M, Pirat C, Wessling M, Lammertink R G, Lohse D 2009 Phys. Fluids 21 112002

    [21]

    Aljallis E, Sarshar M A, Datla R, Sikka V, Jones A, Choi C H 2013 Phys. Fluids 25 025103

    [22]

    Sun W Y, Kim C J 2013 IEEE 26th International Conference Taipei, IEEE January 20-24,2013 p397

    [23]

    Sakai M, Nakajima A, Fujishima A 2010 Chem. Lett. 39 482

    [24]

    Ding B, Ogawa T, Kim J 2008 Thin Solid Films 516 2495

    [25]

    Wang J D, Chen D R 2008 Langmuir 24 10174

    [26]

    Poetes R, Holtzmann K, Franze K, Steiner U 2010 Phys. Rev. Lett. 105 166104

    [27]

    Furmidge C G L 1962 J. Colloid Sci. 17 309

    [28]

    Govardhan R N, Srinivas G S, Asthana A, Bobji M S 2009 Phys. Fluids 21 052001

  • [1]

    Shi X H, Wang X J 1995 Introduction to underwater weapon (Torpedo) (Xi’an: Northwestern Polytechnical University Press) p28-33 (in Chinese) [石秀华, 王晓娟 1995 水中兵器概论(鱼雷部分) (西安: 西北工业大学出版社) 第28–33 页]

    [2]

    Ke G X, Pan G, Huang Q G, Hu H B 2009 Adv. Mech. 39 546 (in Chinese)[柯贵喜, 潘光, 黄桥高, 胡海豹2009 力学进展39 546]

    [3]

    Wang X N, Gen X G, Zang D Y 2013 Acta. Phys. Sin. 62 054701 (in Chinese) [王晓娜, 耿兴国, 臧渡洋2013 物理学报62 054701]

    [4]

    Li F C, Cai W H, Zhang H N, Wang Y 2012 Chin. Phys. B 21 114701

    [5]

    Mei D J, Fan B C, Chen Y H, Ye J F 2010 Acta. Phys. Sin. 59 8335 (in Chinese) [梅栋杰, 范宝春, 陈耀慧, 叶经方2010 物理学报59 8335]

    [6]

    Li G, Li S M, Xu Y J, Zhang Y, Li H M, Nie C Q, Zhu J Q 2009 Acta. Phys. Sin. 58 4026 (in Chinese)[李钢, 李轶明, 徐燕骥, 张翼, 李汉明, 聂超群, 朱俊强2009 物理学报58 4026]

    [7]

    Chen G F, Gong M Q, Shen J, Zou X, Wu J F 2010 Acta. Phys. Sin. 59 8669 (in Chinese)[陈高飞, 公茂琼, 沈俊, 邹鑫, 吴剑峰2010 物理学报59 8669]

    [8]

    Gu C Y, Di Q F, Shi L Y, Wu F, Wang W C, Yu Z B 2008 Acta Phys. Sin. 57 3701(in Chinese) [顾春元, 狄勤丰, 施利毅, 吴非, 王文昌, 余祖斌2008 物理学报57 3701]

    [9]

    Gong B Z, Zhang B J 2009 Acta Phys. Sin. 58 1504 (in Chinese)[龚博致, 张秉坚2009 物理学报58 1504]

    [10]

    Vakarelski I U, Marston J O, Chan D Y C, Thoroddsen S T 2011 Phys. Rev. Lett. 106 214501

    [11]

    Niru K, Suresh V G 2011 Langmuir 27 10342

    [12]

    Lee C, Kim C J 2011 Phys. Rev. Lett. 106 014502

    [13]

    Kazuyuki H, Takao S, Fujio Y 2011 Exp. Fluids 50 715

    [14]

    Watanabe K, Udagawa H 1999 J. Fluid Mech. 381 225

    [15]

    Tian J, Xu J F, Xue Q J 1997 J. Hydrodynamics 12 27 (in Chinese) [田军, 徐锦芬, 薛群基1997 水动力学研究与进展12 27]

    [16]

    Lee C, Choi C H, Kim C J 2008 Phys. Rev. Lett. 101 064501

    [17]

    Lee C, Kim C J 2009 Langmuir 25 12812

    [18]

    Choi C H, Ulmanella U, Kim J, Ho C M, Kim C J 2006 Phys. Fluids 18 087105

    [19]

    Choi C H, Kim C J 2006 Phys. Rev. Lett. 96 066001

    [20]

    Tsai P, Peters A M, Pirat C, Wessling M, Lammertink R G, Lohse D 2009 Phys. Fluids 21 112002

    [21]

    Aljallis E, Sarshar M A, Datla R, Sikka V, Jones A, Choi C H 2013 Phys. Fluids 25 025103

    [22]

    Sun W Y, Kim C J 2013 IEEE 26th International Conference Taipei, IEEE January 20-24,2013 p397

    [23]

    Sakai M, Nakajima A, Fujishima A 2010 Chem. Lett. 39 482

    [24]

    Ding B, Ogawa T, Kim J 2008 Thin Solid Films 516 2495

    [25]

    Wang J D, Chen D R 2008 Langmuir 24 10174

    [26]

    Poetes R, Holtzmann K, Franze K, Steiner U 2010 Phys. Rev. Lett. 105 166104

    [27]

    Furmidge C G L 1962 J. Colloid Sci. 17 309

    [28]

    Govardhan R N, Srinivas G S, Asthana A, Bobji M S 2009 Phys. Fluids 21 052001

  • [1] 许少锋, 楼应侯, 吴尧锋, 王向垟, 何平. 微通道疏水表面滑移的耗散粒子动力学研究. 物理学报, 2019, 68(10): 104701. doi: 10.7498/aps.68.20182002
    [2] 胡海豹, 王德政, 鲍路瑶, 文俊, 张招柱. 基于润湿阶跃的水下大尺度气膜封存方法. 物理学报, 2016, 65(13): 134701. doi: 10.7498/aps.65.134701
    [3] 谷云庆, 牟介刚, 代东顺, 郑水华, 蒋兰芳, 吴登昊, 任芸, 刘福庆. 基于蚯蚓背孔射流的仿生射流表面减阻性能研究. 物理学报, 2015, 64(2): 024701. doi: 10.7498/aps.64.024701
    [4] 高英俊, 全四龙, 邓芊芊, 罗志荣, 黄创高, 林葵. 剪切应变下刃型位错的滑移机理的晶体相场模拟. 物理学报, 2015, 64(10): 106104. doi: 10.7498/aps.64.106104
    [5] 姜玉婷, 齐海涛. 微平行管道内Eyring流体的电渗滑移流动. 物理学报, 2015, 64(17): 174702. doi: 10.7498/aps.64.174702
    [6] 张娅, 潘光, 黄桥高. 疏水表面减阻的格子Boltzmann方法数值模拟. 物理学报, 2015, 64(18): 184702. doi: 10.7498/aps.64.184702
    [7] 张海龙, 刘丰珍, 朱美芳. 化学气相沉积中影蔽效应对硅薄膜表面形貌和微结构的影响. 物理学报, 2014, 63(17): 177303. doi: 10.7498/aps.63.177303
    [8] 郎莎莎, 耿兴国, 臧渡洋. 八重准周期排列的短沟槽结构减阻机理分析. 物理学报, 2014, 63(8): 084704. doi: 10.7498/aps.63.084704
    [9] 宋保维, 任峰, 胡海豹, 郭云鹤. 表面张力对疏水微结构表面减阻的影响. 物理学报, 2014, 63(5): 054708. doi: 10.7498/aps.63.054708
    [10] 黄桥高, 潘光, 宋保维. 疏水表面滑移流动及减阻特性的格子Boltzmann方法模拟. 物理学报, 2014, 63(5): 054701. doi: 10.7498/aps.63.054701
    [11] 宋保维, 郭云鹤, 罗荘竹, 徐向辉, 王鹰. 疏水表面减阻环带实验研究. 物理学报, 2013, 62(15): 154701. doi: 10.7498/aps.62.154701
    [12] 王晓娜, 耿兴国, 臧渡洋. 一维周期与准周期排列沟槽结构的流体减阻特性研究. 物理学报, 2013, 62(5): 054701. doi: 10.7498/aps.62.054701
    [13] 王新亮, 狄勤丰, 张任良, 顾春元, 丁伟朋, 龚玮. 纳米颗粒水基分散液在岩心微通道中的双重减阻机制及其实验验证. 物理学报, 2012, 61(14): 146801. doi: 10.7498/aps.61.146801
    [14] 张盟, 耿兴国, 张瑶, 王晓娜. 一维短沟槽复合准晶结构减阻效应及模拟分析. 物理学报, 2012, 61(19): 194702. doi: 10.7498/aps.61.194702
    [15] 王文霞, 施娟, 邱冰, 李华兵. 用晶格玻尔兹曼方法研究微结构表面的疏水性能. 物理学报, 2010, 59(12): 8371-8376. doi: 10.7498/aps.59.8371
    [16] 高鹏, 耿兴国, 欧修龙, 薛文辉. 人工构建二维准晶复合结构的减阻特性研究. 物理学报, 2009, 58(1): 421-426. doi: 10.7498/aps.58.421
    [17] 张敏梁, 田煜, 蒋继乐, 孟永钢, 温诗铸. 极板形貌修饰对电流变液/极板界面滑移抑制实验研究. 物理学报, 2009, 58(12): 8394-8399. doi: 10.7498/aps.58.8394
    [18] 武宏宇, 尹 澜. 超流费米气体相滑移时的密度分布. 物理学报, 2006, 55(2): 490-493. doi: 10.7498/aps.55.490
    [19] 钱临照;何寿安. 在铝晶体表面上刻纹所导致的滑移的特征. 物理学报, 1956, 12(6): 647-650. doi: 10.7498/aps.12.647
    [20] 钱临照, 何寿安. 铝单晶体滑移的电子顯微镜颧察(一). 物理学报, 1955, 11(3): 287-289. doi: 10.7498/aps.11.287
计量
  • 文章访问数:  5063
  • PDF下载量:  681
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2013-10-11
  • 修回日期:  2013-12-30
  • 刊出日期:  2014-04-05

/

返回文章
返回