超疏水溝槽表面通氣減阻實(shí)驗(yàn)研究1)

馮家興 胡海豹,2) 盧丙舉 秦麗萍 張夢(mèng)卓 杜 鵬 黃 瀟

?(西北工業(yè)大學(xué)航海學(xué)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(lái)海洋工程領(lǐng)域關(guān)注的一個(gè)研究熱點(diǎn)[1-8].Rothstein 等[9]直接觀測(cè)超疏水規(guī)則微結(jié)構(gòu)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(fā)現(xiàn)在湍流狀態(tài)下氣膜層會(huì)導(dǎo)致明顯的壁面滑移,并引起近壁區(qū)雷諾剪應(yīng)力和正應(yīng)力下降約15%.胡海豹等[11]通過(guò)在轉(zhuǎn)子壁面構(gòu)造潤(rùn)濕梯度,實(shí)現(xiàn)連續(xù)氣環(huán)的穩(wěn)定維持,在雷諾數(shù)660～1320 內(nèi)獲得超過(guò)70%的穩(wěn)定減阻量.保持超疏水表面氣膜層的穩(wěn)定是實(shí)現(xiàn)其減阻效果的關(guān)鍵[12].但實(shí)際上高水壓[13-15]、氣體擴(kuò)散[16-18]、壓力脈動(dòng)[19]等因素均會(huì)造成超疏水微結(jié)構(gòu)內(nèi)部氣體流失,減阻失效,甚至增阻.尤其在湍流狀態(tài)下[20],流動(dòng)不穩(wěn)定性和剪切應(yīng)力的共同作用,會(huì)加速超疏水表面氣膜層的破壞,是目前亟待解決的技術(shù)瓶頸.

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

若能利用溝槽結(jié)構(gòu)來(lái)減弱流動(dòng)對(duì)超疏水表面氣膜層的破壞作用,會(huì)大幅提升表面氣膜層的穩(wěn)定性.受此啟發(fā),最近已有學(xué)者開始研究超疏水溝槽表面聯(lián)合減阻.Wang 等[32]通過(guò)觀測(cè)橫向疏水微溝槽表面氣膜發(fā)現(xiàn),當(dāng)流速為5 m/s 時(shí),溝槽內(nèi)氣膜可以穩(wěn)定存在50 min;流速為11.6 m/s 時(shí),能保持13%的減阻率約1 h,初步證實(shí)超疏水和溝槽的結(jié)合擁有很大潛力.Ghaemi 等[33]則發(fā)現(xiàn),無(wú)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(shù)300～2769 范圍內(nèi),測(cè)得超疏水溝槽表面減阻率最大可達(dá)56.9%.

上述研究說(shuō)明,超疏水溝槽表面氣膜層比單純超疏水表面更加穩(wěn)定,且在較低雷諾數(shù)時(shí)減阻效果可觀但實(shí)際工程應(yīng)用中,往往需要表面氣膜層和減阻功能能夠長(zhǎng)期有效.為此,本文進(jìn)一步探索了在超疏水溝槽表面通過(guò)通氣方式來(lái)實(shí)現(xiàn)氣膜層長(zhǎng)時(shí)間維持的可行性.

1 實(shí)驗(yàn)裝置與方法

實(shí)驗(yàn)裝置主要由上水箱、下水箱、離心泵、管道、流量計(jì)、測(cè)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(guò)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(shì)能來(lái)驅(qū)動(dòng)水流,雷諾數(shù)調(diào)節(jié)范圍為1.4×104～5.2×104(以管道水力直徑為特征長(zhǎng)度).管道材質(zhì)為無(wú)色亞克力(PMMA),截面為60 mm×20 mm 的矩形;實(shí)驗(yàn)平板有效尺寸770 mm×60 mm×20 mm,裝在管道上端面.流量計(jì)測(cè)量范圍0.8～15 m3/h,工作壓力1.6 MPa;壓力變送器輸出信號(hào)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(jī)和滾珠絲杠來(lái)精細(xì)驅(qū)動(dòng).實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)中,為減小偶然誤差,每個(gè)數(shù)據(jù)重復(fù)采集100 次.

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置及溝槽結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Experimental apparatus and schematic diagram of groove structure

實(shí)驗(yàn)中采用進(jìn)口商用超疏水涂層(ultra-ever dry)進(jìn)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(fù)合結(jié)構(gòu),展現(xiàn)出優(yōu)越的超疏水效果.施工時(shí),采用氣動(dòng)噴槍分兩輪進(jìn)行底漆和面漆噴涂,且時(shí)間間隔不小于30 min.經(jīng)測(cè)試,水滴在該超疏水涂層表面接觸角可達(dá)165?,滾動(dòng)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(duì)應(yīng)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(wú)量綱溝槽寬度S+為

式中,S為槽寬,υ 為運(yùn)動(dòng)黏性系數(shù),Vτ則表示光板表面的壁面剪切速度,其對(duì)應(yīng)表達(dá)式為

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

2 結(jié)果與分析

2.1 通氣速率對(duì)減阻的影響

為研究通氣對(duì)超疏水溝槽表面減阻的影響,這里詳細(xì)測(cè)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(shí)超疏水溝槽表面壓降隨雷諾數(shù)(Re)的變化曲線,其中,“smooth”曲線為光板上的壓降.可以發(fā)現(xiàn),與光板類似,超疏水溝槽表面壓降與雷諾數(shù)呈二次方關(guān)系(如圖中虛線),且隨Qa增大,曲線整體下移,減阻效果增強(qiáng);不過(guò),不通氣狀態(tài)下(Qa=0),超疏水溝槽表面壓降曲線在光板之上,表現(xiàn)為增阻效果,說(shuō)明這種大尺寸溝槽引起的粗糙增阻效應(yīng)此時(shí)占主導(dǎo)作用.對(duì)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(tài)可見,Qa=0 時(shí),受水流剪切作用,超疏水表面氣膜逐漸流失,僅在其微結(jié)構(gòu)內(nèi)部存留少量氣體.在未轉(zhuǎn)變成完全浸潤(rùn)的Wenzel 狀態(tài)前,溝槽內(nèi)部及槽間均處于Wenzel 與Cassie 之間的過(guò)渡狀態(tài),此時(shí)氣膜厚度小于表面粗糙顆粒高度;Qa=2 mL/s 時(shí)部分溝槽內(nèi)已被氣體充滿,但槽間仍保持與無(wú)通氣條件下的狀態(tài)一致,說(shuō)明溝槽對(duì)氣體有導(dǎo)向和穩(wěn)定的作用;Qa=10 mL/s 時(shí)超疏水溝槽均被完整的亞毫米級(jí)氣膜層包覆.上述不同通氣速率下表面氣膜形態(tài)的變化規(guī)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(tài)Fig.2 Pressure drop curve and typical gas film morphology

2.2 溝槽尺寸對(duì)減阻的影響

圖3 為超疏水溝槽表面減阻率隨雷諾數(shù)及溝槽無(wú)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(shù)的變化表現(xiàn)為兩種規(guī)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(shí),隨雷諾數(shù)增大,減阻率表現(xiàn)為先減再增后繼續(xù)減小的規(guī)律(規(guī)律I);當(dāng)增大Qa至5 mL/s,7.5 mL/s 及10 mL/s 時(shí),減阻率則表現(xiàn)為先增后減的規(guī)律(規(guī)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(guī)律,但Qa=5 mL/s 時(shí)與圖3(a)不同,表現(xiàn)為規(guī)律I;當(dāng)S進(jìn)一步增至2 mm時(shí)(圖3(c)),所有Qa下均表現(xiàn)為規(guī)律I.可見,隨S增大,規(guī)律I 對(duì)應(yīng)的通氣速率范圍擴(kuò)大.規(guī)律I 與規(guī)律II 產(chǎn)生和轉(zhuǎn)變的原因?qū)⒃谙鹿?jié)詳細(xì)解釋.同時(shí)還發(fā)現(xiàn),不通氣時(shí)3 種超疏水溝槽表面均表現(xiàn)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(shù)及S+ 變化(線條表示趨勢(shì)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(shí)溝槽尺寸對(duì)減阻效果的影響.可以發(fā)現(xiàn),減阻率隨槽寬的擴(kuò)大先增后減,S+≈76 時(shí)減阻率最大.這與單純溝槽表面的減阻規(guī)律相似[24],存在減阻效果最佳的溝槽尺寸,且適用于實(shí)驗(yàn)中的所有通氣速率.不過(guò),這里對(duì)應(yīng)的最佳無(wú)量綱溝槽尺寸遠(yuǎn)大于公認(rèn)的單純溝槽表面的最優(yōu)無(wú)量綱尺寸(≈15),這是由二者不同的減阻原理導(dǎo)致的.

2.3 氣膜鋪展?fàn)顟B(tài)分析

這里以S=1.2 mm 的超疏水溝槽表面氣膜鋪展?fàn)顟B(tài)為對(duì)象對(duì)上節(jié)減阻規(guī)律I 和II 進(jìn)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(shí)氣膜狀態(tài)(從圖3(a)知對(duì)應(yīng)于規(guī)律II),其中反光部分為氣膜層.圖4(a)中,Re=1.4×104時(shí)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(dǎo)致少量的額外阻力.圖4(b)中,Re增大到3.4×104時(shí),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(shí)減阻更佳.但繼續(xù)增大Re至5.2×104時(shí)(圖4(c)),均勻鋪展的氣膜層會(huì)在高速水流沖刷作用下產(chǎn)生局部破損,導(dǎo)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(shí)表面氣膜鋪展?fàn)顟B(tài)(對(duì)應(yīng)于規(guī)律I).觀察圖4(d)發(fā)現(xiàn),Re=2.7×104時(shí)溝槽結(jié)構(gòu)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(shù)溝槽內(nèi)沿流向鋪展和移動(dòng),未實(shí)現(xiàn)大面積展向鋪展.此時(shí)少數(shù)溝槽表面氣膜減阻作用與多數(shù)無(wú)氣膜覆蓋溝槽引起的粗糙增阻效應(yīng)同時(shí)存在,致使減阻率低.Re增大到3.4×104時(shí)(圖4(e)),管道內(nèi)增強(qiáng)的湍流橫向脈動(dòng)和剪切作用致使少數(shù)溝槽表面氣膜克服了展向能壘,發(fā)生部分展向鋪展,氣膜層覆蓋的溝槽條數(shù)明顯增加,減阻率上升.繼續(xù)增大Re至4.0×104時(shí)(圖4(f))發(fā)現(xiàn),此時(shí)在強(qiáng)橫向擾動(dòng)的作用下,氣膜已均勻展向鋪展到整個(gè)超疏水溝槽表面,表現(xiàn)出最佳的減阻效果.當(dāng)進(jìn)一步增大Re時(shí),則會(huì)出現(xiàn)類似圖4(c)的現(xiàn)象,因高水速帶來(lái)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(duì)比

上述研究結(jié)果說(shuō)明超疏水溝槽表面通氣確實(shí)有利于表面氣膜穩(wěn)定,但這種大尺寸溝槽會(huì)造成額外的增阻作用.為更全面評(píng)價(jià)其減阻效果,圖5 進(jìn)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(duì)比.從圖5 可以發(fā)現(xiàn),與超疏水溝槽表面展現(xiàn)的減阻規(guī)律I、規(guī)律II 不同,單純超疏水表面減阻率均呈現(xiàn)單調(diào)降低趨勢(shì);值得注意的是,單純超疏水表面僅在較低雷諾數(shù)時(shí)有減阻優(yōu)勢(shì),但較高雷諾數(shù)下超疏水溝槽表面具有更優(yōu)異的減阻性能;通氣速率Qa=1 mL/s,7.5 mL/s 時(shí),超疏水溝槽表面分別在雷諾數(shù)大于4.0×104,2.7×104時(shí)展現(xiàn)大于超疏水表面的減阻效果,這說(shuō)明隨Qa增大,超疏水溝槽表面上有減阻優(yōu)勢(shì)的雷諾數(shù)范圍擴(kuò)大.由此可見,超疏水表面與溝槽的復(fù)合既有利于氣膜穩(wěn)定,還能增強(qiáng)減阻.

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

3 結(jié)論

通過(guò)開展超疏水溝槽表面通氣減阻實(shí)驗(yàn),分析其減阻規(guī)律以及氣膜鋪展?fàn)顟B(tài),發(fā)現(xiàn):

(1)通氣是長(zhǎng)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(dòng)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(kuò)大,超疏水溝槽表面減阻率先增后減,最優(yōu)無(wú)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(shù)下超疏水溝槽表面既有利于氣膜穩(wěn)定束縛,還可以增強(qiáng)減阻效果,是一種潛在的新型穩(wěn)定減阻手段.

另外,受實(shí)驗(yàn)裝置的限制,論文未測(cè)試出超疏水溝槽表面通氣狀態(tài)下氣液界面形態(tài)與邊界層流場(chǎng),相關(guān)研究仍有待進(jìn)一步深入.