親水?超疏水相間表面通氣減阻實(shí)驗(yàn)研究1)

郭沛洋 張 毅 張夢(mèng)卓 胡海豹,?,

* (西北工業(yè)大學(xué)航海學(xué)院,西安 710072)

? (西北工業(yè)大學(xué)深圳研究院,廣東深圳 518063)

引言

水下超疏水表面利用微結(jié)構(gòu)的低表面能及其對(duì)氣體的親和性能夠在其表面形成一層氣膜,從而在表面產(chǎn)生流動(dòng)滑移,可以起到良好的減阻效果[1-10].Ghaemi[11]利用PIV 對(duì)湍流狀態(tài)下有無(wú)氣膜存在的超疏水涂層表面流場(chǎng)進(jìn)行了測(cè)試,結(jié)果表明當(dāng)氣膜穩(wěn)定存在時(shí),會(huì)產(chǎn)生明顯的壁面滑移與最大15%的減阻.Busse 等[12-14]分別進(jìn)行了理論推導(dǎo)、數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究,結(jié)果均表明隨氣膜厚度增加,超疏水表面減阻率增大,最大減阻率達(dá)到了30%.大量文獻(xiàn)表明[15-18],超疏水表面氣膜層的穩(wěn)定性、均勻性是直接影響到減阻效果的關(guān)鍵因素.

在湍流狀態(tài)下,高流速帶來(lái)的水流剪切、壓力脈動(dòng)等[19-20]因素會(huì)造成超疏水表面氣膜遭到破壞甚至流失,導(dǎo)致減阻效果降低,甚至增阻.因此,如何在超疏水表面維持穩(wěn)定的氣液界面,是目前亟待解決的技術(shù)瓶頸.

近年來(lái)大量學(xué)者研究表明,通過(guò)表面修飾與外部補(bǔ)氣的方法均能有效維持超疏水表面氣液界面的穩(wěn)定性[21-24].Jagdish 等[17]將低表面能修飾與激光雕刻技術(shù)結(jié)合,在平板表面加工出了特殊的疏水微結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)了一定條件下大尺度氣膜的駐留,并觀測(cè)到了減阻效果.Wang 等[25]在疏水表面布置展向肋條結(jié)構(gòu),肋條間隙中存在穩(wěn)定的氣體駐留,最終在表面實(shí)現(xiàn)了13%的穩(wěn)定減阻.Monfared 等[26]、Abu Rowin等[27]和馮家興等[28]研究了流向溝槽與超疏水表面耦合的復(fù)合表面,并在輔以外部通氣的情況下,測(cè)試了湍流狀態(tài)下復(fù)合表面的氣膜形態(tài)與阻力特性.結(jié)果表明外部通氣是長(zhǎng)期維持超疏水表面氣膜層的有效方式,且溝槽結(jié)構(gòu)有利于在較高雷諾數(shù)下束縛氣膜、增強(qiáng)減阻效果.減阻率隨溝槽無(wú)量綱化寬度呈現(xiàn)出先增后減的趨勢(shì),最高達(dá)到了約50%的減阻效果.

然而,這些特殊表面的加工構(gòu)建較為復(fù)雜,且減阻率受表面結(jié)構(gòu)與流動(dòng)狀態(tài)的影響較大.對(duì)此,胡海豹等[29]提出了一種親水?超疏水相間的潤(rùn)濕階躍結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)了在切向水流作用下大尺度氣膜的封存,并得到了最大25%的滑移速度.隨后,他們[30]在轉(zhuǎn)子表面構(gòu)建了這種潤(rùn)濕階躍結(jié)構(gòu),在圓柱表面實(shí)現(xiàn)了氣環(huán)的穩(wěn)定封存,在1400 雷諾數(shù)范圍內(nèi)獲得了超過(guò)70%的穩(wěn)定減阻量.

上述研究證實(shí)了親水?超疏水相間的結(jié)構(gòu)用于氣體封存與表面減阻的優(yōu)勢(shì),并且在轉(zhuǎn)子裝置上取得了較好的效果.然而實(shí)驗(yàn)雷諾數(shù)范圍較窄,缺乏湍流條件下的減阻特性.此外,對(duì)于更具有實(shí)用意義的平板表面,相應(yīng)的減阻規(guī)律尚缺乏研究,亟需對(duì)其開(kāi)展進(jìn)一步研究,從而彌補(bǔ)當(dāng)前工作的不足.為此,本文探索了在湍流管道流動(dòng)中,親水?超疏水相間表面與外部通氣方法結(jié)合實(shí)現(xiàn)表面氣膜層的維持與減阻效果增強(qiáng)的可行性,并從超疏水條帶寬度和雷諾數(shù)兩方面分析了其影響氣膜形態(tài)和減阻規(guī)律變化的原因.

1 實(shí)驗(yàn)裝置與方法

實(shí)驗(yàn)管道系統(tǒng)主要包括上水箱、下水箱、水泵、測(cè)壓系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)等(如圖1).其中上下水箱尺寸為1170 mm×1720 mm×480 mm,高度差為3750 mm,通過(guò)水泵和溢流管道連接,依靠水的重力驅(qū)動(dòng)水流產(chǎn)生速度.實(shí)驗(yàn)段總長(zhǎng)度為1750 mm,全程采用有機(jī)玻璃制成,管道內(nèi)截面尺寸為20 mm ×60 mm.在實(shí)驗(yàn)段初始位置上壁面處開(kāi)有直徑為0.5 mm的通氣狹縫,狹縫內(nèi)部連接多孔石墨板,以實(shí)現(xiàn)氣體進(jìn)入管道時(shí)沿展向的均勻分布,狹縫外部連接供氣氣缸進(jìn)行通氣,供氣氣缸直徑160 mm,推程1 m,由交流伺服電機(jī)和滾珠絲杠來(lái)精細(xì)驅(qū)動(dòng);實(shí)驗(yàn)段上蓋板為可拆卸設(shè)計(jì),長(zhǎng)度為1500 mm,對(duì)其進(jìn)行超疏水表面噴涂處理;實(shí)驗(yàn)段兩端側(cè)壁開(kāi)有內(nèi)徑為6 mm的測(cè)壓孔用于測(cè)量壓降,壓力傳感器采用ENBBON公司的EB3351N-DD2S1M501B3 型號(hào)差壓變送器,量程為0～1500 Pa,輸出信號(hào)為1～5 V,非線性誤差為 ±0.2%;實(shí)驗(yàn)段后端與液體渦輪流量計(jì)相連接,測(cè)量范圍為0.8～15 m3/h;在渦輪流量計(jì)之后連接有DN32 的球閥,用于調(diào)節(jié)來(lái)流速度.

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental apparatus

實(shí)驗(yàn)采用UltraTech 公司生產(chǎn)的商用超疏水涂層(ultra-ever dry)進(jìn)行表面超疏水處理,涂層分為底漆和面漆.底漆用來(lái)增加表面黏著力,面漆可以在物體表面形成微結(jié)構(gòu),從而產(chǎn)生超疏水效果.實(shí)驗(yàn)時(shí),采用氣動(dòng)式高壓噴嘴,保證涂層霧化效果.

為了實(shí)現(xiàn)親水?超疏水相間表面,首先對(duì)實(shí)驗(yàn)段有機(jī)玻璃進(jìn)行底漆的噴涂;靜置至少1 h 后,用寬度為1.0 mm 的美紋紙膠帶對(duì)有機(jī)玻璃進(jìn)行貼膠,膠帶的間距即為超疏水條帶的寬度;再噴涂面漆,最后撕掉美紋紙即可得到不同超疏水條帶寬度的親水?超疏水相間表面,如圖2(a)所示.在200 倍放大的圖像下,如圖2(b)所示,親水部分顯示為致密板塊,沒(méi)有百微米級(jí)別的孔洞微結(jié)構(gòu);如圖2(c)所示,超疏水部分多了更多百微米級(jí)的孔洞.經(jīng)測(cè)試,水滴在該超疏水涂層表面接觸角超過(guò)160°,滾動(dòng)角小于1°;在親水底漆表面接觸角為82° ± 3°.

圖2 親水?超疏水相間表面圖Fig.2 Figure of hydrophilic and alternated superhydrophobic surfaces

具體實(shí)驗(yàn)參數(shù)取值范圍如表1 所示,其中Re為管道流動(dòng)雷諾數(shù),以管道水力直徑為特征長(zhǎng)度,平均流速為特征速度;Q為通氣速率;s為超疏水條帶寬度,對(duì)應(yīng)的親水條帶寬度固定為1.0 mm.

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)取值范圍Table 1 Range of experimental parameters

通過(guò)兩測(cè)壓孔的壓降定義減阻率DR,計(jì)算公式如下

其中,ΔP1表示光滑親水平板測(cè)得的壓降;ΔP2表示在相同流速下,實(shí)驗(yàn)表面上測(cè)得的壓降.

2 結(jié)果與分析

2.1 條帶寬度對(duì)減阻的影響

為了研究超疏水條帶寬度對(duì)親水?超疏水相間表面減阻的影響,這里詳細(xì)測(cè)試了4 種典型超疏水條帶寬度(對(duì)應(yīng)的親水條帶寬度均為1.0 mm)在一系列不同雷諾數(shù)(Re=1.4×104～4.9×104)下的減阻效果.圖3 為親水?超疏水相間表面壓降隨雷諾數(shù)的變化曲線,其中“hydrophilic surface”曲線為未經(jīng)任何處理的親水表面上的壓降.可以發(fā)現(xiàn),與親水表面類似,親水?超疏水相間表面壓降與雷諾數(shù)呈近似二次方關(guān)系.當(dāng)超疏水條帶寬度不超過(guò)4.0 mm 時(shí),親水?超疏水相間表面壓降與親水表面壓降差異不大,且在部分雷諾數(shù)下高于親水表面的壓降曲線,表現(xiàn)為增阻效果;而當(dāng)超疏水條帶寬度達(dá)到5.0 mm 及以上時(shí),壓降曲線整體下移,親水?超疏水相間表面產(chǎn)生相對(duì)于親水表面較為明顯的減阻效果.

圖3 壓降隨雷諾數(shù)變化曲線(通氣速率Q=0.0 mL/s)Fig.3 The variation curve of pressure drop with Reynolds number(ventilation rate Q=0.0 mL/s)

圖4 為親水?超疏水相間表面減阻率隨雷諾數(shù)和條帶寬度的變化曲線,圖4(a)與圖4(b)分別對(duì)應(yīng)較低(Q=4.0 mL/s)與較高(Q=16.0 mL/s)通氣速率.圖中所有氣膜形態(tài)對(duì)應(yīng)的來(lái)流方向均為由左向右,拍攝視角位于實(shí)驗(yàn)平板的側(cè)下方,圖中氣膜采用紅色虛框標(biāo)出.從圖4(a)可以看出,在較低通氣速率時(shí),表面減阻率隨超疏水條帶寬度的增加呈現(xiàn)出先增后減的趨勢(shì).在較低雷諾數(shù)下,條帶寬度5.0 mm,6.0 mm 的表面減阻率較高,達(dá)到了最高約35%,明顯高于條帶寬度為3.0 mm,4.0 mm 表面的減阻率.隨著雷諾數(shù)的增加,不同條帶寬度實(shí)驗(yàn)板的減阻率都隨之降低,雷諾數(shù)增加到約3.6×104時(shí),在3.0 mm 與4.0 mm 條帶寬度表面減阻效果完全消失,隨著雷諾數(shù)的進(jìn)一步增大會(huì)產(chǎn)生增阻;而5.0 mm,6.0 mm 超疏水條帶寬度的實(shí)驗(yàn)板沒(méi)有測(cè)到增阻.結(jié)合圖4(b)及對(duì)應(yīng)的氣膜圖可以看出: 在超疏水條帶寬度較小時(shí),親水?超疏水相間表面的氣膜層沿條帶分布;隨著超疏水條帶寬度增加至5.0 mm,氣膜層變?yōu)檫B續(xù)的片狀結(jié)構(gòu);隨著超疏水條帶寬度的進(jìn)一步增加,親水?超疏水相間表面對(duì)氣體的封存、鋪展的效果變差,實(shí)驗(yàn)板表面易產(chǎn)生較厚、較為不均勻的氣膜,從而使得減阻性能降低.

圖4 減阻率隨雷諾數(shù)及超疏水條帶寬度變化Fig.4 The variation of drag reduction rate with Reynolds number and the width of the superhydrophobic bands

由圖4(b)可以看出,在固定通氣量時(shí),親水?超疏水相間表面減阻率隨雷諾數(shù)增加呈現(xiàn)出先降低,后波動(dòng)的趨勢(shì).在所有流速范圍內(nèi),5.0 mm 和6.0 mm超疏水條帶寬度的實(shí)驗(yàn)板減阻效果均明顯優(yōu)于3.0 mm 和4.0 mm 超疏水條帶實(shí)驗(yàn)板.且當(dāng)雷諾數(shù)增大時(shí),5.0 mm 與6.0 mm 實(shí)驗(yàn)板的減阻效果已相差不大,減阻率在15%左右波動(dòng).

圖5 為超疏水條帶寬度s=4.0 mm,通氣速率Q=4.0 mL/s,不同雷諾數(shù)下的氣膜形態(tài),圖中反光的部分對(duì)應(yīng)為氣膜層.圖5 中,親水?超疏水相間表面在外界少量補(bǔ)氣(Q=4.0 mL/s)的情況下,在雷諾數(shù)較低時(shí)(Re=1.4×104)氣膜完全按照條帶進(jìn)行劃分,產(chǎn)生了穩(wěn)定的條帶狀氣膜,產(chǎn)生了較好的減阻效果;圖5(b)中,雷諾數(shù)增大到了3.6×104,因高流速帶動(dòng)了氣膜層隨之發(fā)生變化,氣膜形態(tài)與低流速相比不再均勻、穩(wěn)定,而是產(chǎn)生了較大程度的波動(dòng),且在水流的連續(xù)作用下,外界補(bǔ)充的氣體有的直接以氣泡形式流走,有的則隨機(jī)附著在實(shí)驗(yàn)板上,還會(huì)出現(xiàn)氣膜斷裂并隨水流流走的現(xiàn)象,使得減阻率產(chǎn)生降低與波動(dòng).

圖5 親水?超疏水相間表面氣膜鋪展?fàn)顟B(tài)(s=4.0 mm)Fig.5 The spreading state of gas film on hydrophilic and alternated superhydrophobic surfaces (s=4.0 mm)

2.2 通氣速率對(duì)減阻的影響

為了研究通氣速率對(duì)親水?超疏水相間表面減阻效果的影響,這里詳細(xì)測(cè)試了不同條帶寬度在一系列不同通氣速率下的減阻情況.圖6(a)為超疏水條帶寬度s=6.0 mm 時(shí),不同通氣狀態(tài)下表面減阻率隨雷諾數(shù)的變化曲線.可以發(fā)現(xiàn),在不通氣的狀態(tài)下(Q=0.0 mL/s),親水?超疏水相間表面存在著一定的減阻效果,且隨著雷諾數(shù)的增加,表面減阻效果逐漸減弱.相對(duì)于不通氣的狀態(tài),在通氣狀態(tài)下,親水?超疏水相間表面的減阻效果整體有所增強(qiáng).在雷諾數(shù)較小的情況下,大通氣速率體現(xiàn)出了更好的減阻特性,整體減阻效果隨著通氣速率的增加而增加,最高達(dá)到了34.2%.而對(duì)于較高雷諾數(shù)的流動(dòng)狀態(tài),當(dāng)通氣速率增到約8.0 mL/s 后,減阻率也達(dá)到峰值,此后,再增大通氣速率,減阻率反而有所下降.

圖6 減阻率變化曲線與典型氣膜形態(tài)Fig.6 drag reduction curve and typical gas film morphology

圖6(b)為3 種不同通氣速率(Re=3.6×104)下親水?超疏水相間表面的氣膜形態(tài),其中來(lái)流方向均為由左向右,(I)和(II)的拍攝視角位于實(shí)驗(yàn)平板的側(cè)下方,主要體現(xiàn)氣膜的整體形態(tài);(III)的拍攝視角位于實(shí)驗(yàn)平板的側(cè)方,主要體現(xiàn)氣膜的厚度及波動(dòng),圖中氣膜采用紅色虛框標(biāo)出.可見(jiàn),通氣速率Q=0.0 mL/s 時(shí),在高速水流剪切作用下,超疏水表面氣膜逐漸流失,當(dāng)氣液界面穩(wěn)定后,實(shí)驗(yàn)表面上氣膜較薄;隨著通氣速率的增加至Q=4.0 mL/s 時(shí),與不通氣的狀況相比,較少的通氣量使得氣膜仍然可以在實(shí)驗(yàn)板上均勻鋪展,且相比于不通氣的狀態(tài),氣膜厚度有所增加,因而整體減阻率略微提升.此外,主動(dòng)補(bǔ)充的氣體在進(jìn)入試驗(yàn)段后附著在實(shí)驗(yàn)板表面,氣體隨著超疏水條帶的引導(dǎo)均勻鋪展在實(shí)驗(yàn)板上,這說(shuō)明親水?超疏水相間表面有利于氣膜的均勻鋪展.實(shí)驗(yàn)板的超疏水條帶上形成完整均勻的氣膜層,此時(shí)氣膜為片狀結(jié)構(gòu),在親水與超疏水條帶上均勻覆蓋,且氣液界面隨時(shí)間變化波動(dòng)較小,主動(dòng)的通氣能夠及時(shí)補(bǔ)充流失的氣體,說(shuō)明親水?超疏水相間表面對(duì)氣膜有一定的維持與穩(wěn)定作用;而當(dāng)通氣速率進(jìn)一步增加至16.0 mL/s 時(shí),整個(gè)表面已被完整的氣膜層包覆,氣膜層因過(guò)多的氣體產(chǎn)生波動(dòng),變得不穩(wěn)定,減阻率反而降低.上述通氣速率變化下表面氣膜形態(tài)的變化情況,也解釋了圖6(a)中減阻效果產(chǎn)生差異的原因.

上面所述的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,很好地驗(yàn)證了人工通氣對(duì)于維持親水?超疏水相間表面的氣液界面穩(wěn)定性具有較好的效果,但同時(shí),人工通氣時(shí)對(duì)不同流速下通氣量的合理把握也是維持氣液界面穩(wěn)定性的一個(gè)重要的因素.在某一流速下,通氣量過(guò)大或者過(guò)小都無(wú)法達(dá)到形成具有穩(wěn)定減阻效果的氣膜層的目的.

此外,在高流速和低通氣量的狀態(tài)下,會(huì)出現(xiàn)類似圖7(a)的現(xiàn)象: 因高流速帶來(lái)的氣體流失,使得原本均勻穩(wěn)定的氣膜層遭到一定程度的破壞,大部分以氣泡的形式直接被水流沖走,且主動(dòng)通入的氣體也由于流動(dòng)的高剪切作用,無(wú)法很好地附著在實(shí)驗(yàn)板的超疏水表面上,這導(dǎo)致在親水?超疏水相間表面上的氣膜分布不均勻、不連續(xù),流失氣泡的大小、形狀和位置均分布不規(guī)律,從而導(dǎo)致減阻率的降低.而在高流速、高通氣量的流動(dòng)條件下,如圖7(b)所示,實(shí)驗(yàn)板的親水?超疏水相間條帶已經(jīng)幾乎失去了劃分的作用,氣膜以整體的片狀形態(tài)存在,且主動(dòng)通入的氣體在剛進(jìn)入實(shí)驗(yàn)段時(shí)就已經(jīng)形成了空腔,且這種流動(dòng)狀態(tài)下,氣膜層厚度變得較大,整個(gè)實(shí)驗(yàn)板,包括親水條帶部分都不與水直接接觸,此時(shí)氣膜作用下的減阻與氣膜不均勻鋪展的增阻效應(yīng)同時(shí)存在,致使減阻效果不佳.

圖7 高流速下的氣膜形態(tài)Fig.7 gas film morphology at high flow rate

3 結(jié)論

本文開(kāi)展了不同流速、不同超疏水條帶寬度下親水?超疏水相間表面減阻規(guī)律的實(shí)驗(yàn)研究,通過(guò)分析對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出其減阻規(guī)律,主要結(jié)論如下.

(1)親水?超疏水相間表面持續(xù)通氣能解決表面氣膜層的流失問(wèn)題,有效維持親水?超疏水相間表面氣膜層和減阻性能,且對(duì)于一定的流動(dòng)狀態(tài),存在使得減阻效果最好的通氣速率.

(2)在通氣狀態(tài)下,隨超疏水條帶寬度的增大,親水?超疏水相間表面減阻率先增后減.在條帶寬度s=5 mm,通氣速率Q=16.0 mL/s,雷諾數(shù)Re=1.4×104時(shí)得到最佳減阻率為40.2%.

(3)親水?超疏水相間表面是否存在有完整均勻穩(wěn)定的氣膜層直接影響了其減阻效果,其減阻效果隨流速增大而減小.在超疏水條帶寬度不超過(guò)4.0 mm,且雷諾數(shù)超過(guò)3.6×104時(shí)產(chǎn)生增阻.

此外,受實(shí)驗(yàn)裝置的限制,論文未測(cè)試出實(shí)驗(yàn)表面通氣狀態(tài)下邊界層流場(chǎng)及更高雷諾數(shù)下親水?超疏水相間表面阻力特性,相關(guān)研究仍有待進(jìn)一步深入.