表面微納結(jié)構(gòu)對(duì)氣-水界面穩(wěn)定性和流動(dòng)減阻的影響

姚朝暉, 張靜嫻, 郝鵬飛

(1. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 工程科學(xué)學(xué)院, 北京 101408; 2. 清華大學(xué) 工程力學(xué)系, 北京 100084)

0 引 言

當(dāng)超疏水表面浸入水中時(shí)，表面上的微結(jié)構(gòu)會(huì)捕捉空氣，并在微結(jié)構(gòu)間形成氣-水界面[1-2]。在流動(dòng)剪切、壓強(qiáng)或其他擾動(dòng)因素的作用下，氣-水界面會(huì)失穩(wěn)并塌陷，因此氣-水界面的壽命和相關(guān)影響因子是人們關(guān)注和研究的對(duì)象[3-4]。 在流動(dòng)中，超疏水表面氣-水界面的狀態(tài)與流動(dòng)的靜壓、對(duì)流效應(yīng)、實(shí)驗(yàn)時(shí)間及表面微觀結(jié)構(gòu)特性等因素相關(guān)[5]。Lee 和Kim[6]發(fā)現(xiàn),具有復(fù)合結(jié)構(gòu)的表面可以使得氣-水界面更加穩(wěn)定，他們認(rèn)為這是二級(jí)結(jié)構(gòu)給氣-水界面提供了更多釘扎點(diǎn)的原因。Jones 等[7]使用結(jié)晶和低溫聚集粒子束銑技術(shù)凍結(jié)氣-水界面并通過(guò)掃描電鏡觀測(cè)，以比較微米一級(jí)結(jié)構(gòu)表面和具有納米/亞微米二級(jí)結(jié)構(gòu)表面的氣-水界面情況，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在相同實(shí)驗(yàn)條件下，只有微米一級(jí)結(jié)構(gòu)的表面氣-水界面消失，而具有復(fù)合結(jié)構(gòu)(納米或亞微米二級(jí)結(jié)構(gòu))的表面存在氣-水界面。Tuteja等[8]對(duì)表面微結(jié)構(gòu)的幾何形貌進(jìn)行了更進(jìn)一步的研究。他們發(fā)現(xiàn)，在表面上加工出具有內(nèi)凹特性的微結(jié)構(gòu)后，對(duì)于很多表面能較低的液體(如酒精等，在傳統(tǒng)超疏水表面上容易發(fā)生浸潤(rùn))也能表現(xiàn)出不浸潤(rùn)的特性。這說(shuō)明內(nèi)凹的幾何形貌有助于增強(qiáng)微結(jié)構(gòu)間氣-水界面的穩(wěn)定性。隨后，Liu和Kim[9]設(shè)計(jì)并加工出一種具有二次凹陷特征的“蘑菇狀”表面，由親水的硅片直接刻蝕加工得到，卻具有不可思議的超全疏特性，即使是表面能極低的聚四氟乙烯液體也無(wú)法浸潤(rùn)表面。

眾所周知，微流動(dòng)系統(tǒng)因表面效應(yīng)增強(qiáng)而具有很大的流動(dòng)阻力，因此如何減小微通道的表面阻力是研究者一直致力解決的問(wèn)題。Ou等[10]在槽深為76～254 μm的一系列微槽道中測(cè)量了具有不同表面結(jié)構(gòu)的超疏水表面的阻力特性，發(fā)現(xiàn)在層流中超疏水表面壓降減小量最高可達(dá)40%。他們通過(guò)激光共聚焦技術(shù)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，超疏水表面上方存在一層氣膜，形成氣-水界面。氣-水界面的存在可大大降低界面剪切力，引入滑移速度，從而實(shí)現(xiàn)減阻。隨后，研究者展開(kāi)了一系列實(shí)驗(yàn)對(duì)超疏水表面在槽道中的層流減阻特性進(jìn)行了驗(yàn)證和測(cè)量。Joseph等[11]在微槽道中引入碳納米管森林狀結(jié)構(gòu)形成超疏水表面，并使用粒子圖像測(cè)速(Particle Image Velocimetry，PIV)技術(shù)進(jìn)行測(cè)量，證實(shí)當(dāng)微結(jié)構(gòu)上方界面為Cassie狀態(tài)(微結(jié)構(gòu)間存在氣-水界面)時(shí)，邊界存在數(shù)微米量級(jí)的速度滑移；而當(dāng)液體潤(rùn)濕進(jìn)微結(jié)構(gòu)，界面轉(zhuǎn)變?yōu)閃enzel狀態(tài)(微結(jié)構(gòu)間不存在氣-水界面)后，速度滑移則會(huì)消失。Choi等[12]制備了具有納米光柵結(jié)構(gòu)(230 nm間距，500 nm深)的超疏水表面并在微槽道中實(shí)現(xiàn)了20%～30%的最大減阻。Byun等[13]制備了具有不同親疏水特性的微槽道，并使用PIV測(cè)量槽道內(nèi)的速度剖面，發(fā)現(xiàn)親水表面上沒(méi)有速度滑移，而超疏水表面上存在速度滑移，對(duì)應(yīng)滑移長(zhǎng)度為2 μm左右。此外，他們發(fā)現(xiàn)，對(duì)于具有展向溝槽結(jié)構(gòu)的超疏水側(cè)壁，其氣-水界面存在一定的不穩(wěn)定性。Hao等[14]在微槽道側(cè)壁加工出具有交錯(cuò)展向溝槽的微結(jié)構(gòu)，使得側(cè)壁具有較好的疏水性能。通過(guò)測(cè)量壓降和使用Micro-PIV技術(shù)測(cè)量?jī)?nèi)部流場(chǎng)，發(fā)現(xiàn)減阻可達(dá)10%～30%，對(duì)應(yīng)速度滑移達(dá)到槽道中心速度的8%。

在實(shí)際工程應(yīng)用中(例如油路運(yùn)輸、水路運(yùn)輸?shù)?，涉及到的往往是宏觀尺度的槽道流動(dòng)問(wèn)題。因此，針對(duì)宏觀尺度槽道的超疏水表面減阻研究十分必要。在宏觀尺度下，壁面效應(yīng)相對(duì)來(lái)說(shuō)沒(méi)有微槽道中那么明顯，因此，超疏水表面的減阻率和微槽道的相比可能會(huì)偏小，測(cè)量也面臨著更大的挑戰(zhàn)。同時(shí)，宏觀流動(dòng)往往流速較高，達(dá)到湍流狀態(tài)，因此還需研究流動(dòng)轉(zhuǎn)捩和高雷諾數(shù)下的相關(guān)阻力特性。Woolford等[15]在水力直徑為8.2 mm、寬深比為8.9的扁平槽道中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，將超疏水表面置于槽道下壁面，通過(guò)測(cè)量壓降計(jì)算阻力特性，實(shí)驗(yàn)雷諾數(shù)從4800到10000。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，超疏水表面減阻效果和其表面微結(jié)構(gòu)形貌高度相關(guān)，具有流向溝槽結(jié)構(gòu)的超疏水表面可以減阻11%，而具有展向溝槽結(jié)構(gòu)的超疏水表面反而會(huì)增阻6.5%。類似的，Daniello等[16]在水力直徑為13.1 mm、寬深比為4.8的槽道中測(cè)量了具有流向溝槽結(jié)構(gòu)的超疏水表面，與Woolford等的結(jié)果不同，他們發(fā)現(xiàn)，減阻開(kāi)始于一個(gè)臨界雷諾數(shù)(ReDH=2500)，即在層流時(shí)表面并不減阻，在湍流狀態(tài)下減阻率最大可達(dá)50%。

一系列研究表明，超疏水表面在槽道減阻中的效果和其表面上方氣膜的狀態(tài)密切相關(guān)。具有微納二級(jí)復(fù)合結(jié)構(gòu)的超疏水表面憎水性能更為優(yōu)異，具有更好的自清潔性能[17]。對(duì)于減阻來(lái)說(shuō)，這種復(fù)合結(jié)構(gòu)有助于增強(qiáng)超疏水表面氣-水界面的穩(wěn)定性，從而延長(zhǎng)其減阻效果[18]。然而，關(guān)于二級(jí)復(fù)合結(jié)構(gòu)對(duì)減阻的影響效果還需要更多的研究支持。同時(shí)，在一些理論研究中，具有相同固體面積分?jǐn)?shù)(固體面積分?jǐn)?shù)φs=表觀固體面積/表面積)的超疏水表面被認(rèn)為具有相似的減阻效果[19]。在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，一些具有相同固體面積分?jǐn)?shù)但是結(jié)構(gòu)形狀或尺寸不同的超疏水表面減阻效果可能差距甚大，這是由于不同結(jié)構(gòu)使得其上方氣-水界面穩(wěn)定性和曲率產(chǎn)生變化所致。為更好地探究這些問(wèn)題，本文將針對(duì)不同類型的超疏水表面進(jìn)行槽道流動(dòng)的測(cè)量，并同時(shí)觀測(cè)表面的氣膜情況，研究復(fù)合結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)表面氣-水界面穩(wěn)定性和減阻的影響。

1 槽道減阻實(shí)驗(yàn)的設(shè)備與方案

在槽道減阻實(shí)驗(yàn)中，槽道的具體布置如圖1所示。槽道全長(zhǎng)450 mm，截面形狀為矩形，展向?qū)挾葹?0 mm，高度為2 mm，對(duì)應(yīng)等效水力直徑為DH=4A/P=3.33 mm，其中A為槽道截面積，P為槽道截面周長(zhǎng)。圖1中紅色區(qū)域設(shè)計(jì)為可替換表面，根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求，可安裝各種類型的超疏水表面和作為對(duì)照的普通表面，這樣不同表面的測(cè)量可保證均在相同槽道中進(jìn)行，共享同一系統(tǒng)誤差。如圖1所示，可替換表面設(shè)置在槽道中后段，為保證測(cè)量區(qū)域流動(dòng)充分發(fā)展，前后均預(yù)留了進(jìn)出口過(guò)渡距離，分別設(shè)為55DH和25DH。為測(cè)量流經(jīng)表面的壓降，在替換表面的前后邊界處安裝了微壓力傳感器(CGYL-202，量程0～30 kPa，精度0.03 kPa，測(cè)量頻率1000 Hz)，2個(gè)微壓力傳感器距離L=140 mm。槽道由微型磁驅(qū)動(dòng)齒輪泵(MG1018A-ZWX-40/24)驅(qū)動(dòng)注入水流，通過(guò)調(diào)節(jié)微泵可控制水速，實(shí)驗(yàn)雷諾數(shù)Re為700～4700 (Re=umDH/ν，其中um為槽道內(nèi)截面上平均流速,ν為運(yùn)動(dòng)黏性系數(shù))。在槽道出口處使用精細(xì)測(cè)力天平(G&G T5000，精度1 g)和秒表測(cè)量質(zhì)量流量，記為Qm。實(shí)驗(yàn)槽道為長(zhǎng)矩形槽道，在槽道上下表面分別安裝超疏水或普通表面(圖中紅色框標(biāo)識(shí))，并測(cè)量流經(jīng)表面的壓降，記為Δp。

圖1 實(shí)驗(yàn)槽道示意圖

本實(shí)驗(yàn)中共使用了3種類型表面，分別為：普通表面(光滑硅片表面)、規(guī)則微米一級(jí)結(jié)構(gòu)表面和規(guī)則復(fù)合結(jié)構(gòu)表面。其中規(guī)則結(jié)構(gòu)為微柱陣列結(jié)構(gòu)，微柱具有3種幾何尺寸，進(jìn)行了自組裝疏水處理(OTS)；復(fù)合結(jié)構(gòu)為在此基礎(chǔ)上涂覆納米二氧化硅粒子二級(jí)結(jié)構(gòu)。表面的尺寸特征和接觸角特性如表1所示，不同超疏水表面類型用表中字母和數(shù)字表示，其中數(shù)字代表微柱的邊長(zhǎng)，“+nano”表示添加了納米粒子結(jié)構(gòu)，為復(fù)合結(jié)構(gòu)表面。

表1 實(shí)驗(yàn)槽道的表面特性Table 1 Characteristics of the test channel surfaces

此外，為觀測(cè)超疏水表面氣膜的狀態(tài)，將超疏水表面設(shè)置在槽道測(cè)量段的下表面，槽道測(cè)量段上表面為透明觀察窗，可在實(shí)驗(yàn)中實(shí)時(shí)觀測(cè)表面氣膜情況。超疏水表面上方的氣膜可通過(guò)氣-水界面不同的反射率進(jìn)行觀測(cè)，如圖2所示。不同的界面材質(zhì)會(huì)有不同的反射效果，表面上方存在氣膜的區(qū)域呈現(xiàn)銀色，而沒(méi)有氣膜的區(qū)域呈暗色。采用MATLAB圖像灰度過(guò)濾算法監(jiān)測(cè)并統(tǒng)計(jì)表面上方的氣膜區(qū)域(即銀色反光區(qū)域)，可算出對(duì)應(yīng)表面的氣膜損耗面積比例β。在實(shí)驗(yàn)中，所有超疏水表面上方均有氣膜，但存在一定比例損耗，氣膜損耗面積比例越大，意味著從統(tǒng)計(jì)上來(lái)看，表面的超疏水性能越差。如圖2所示，“OTS16”超疏水表面上方氣膜損耗面積最大，達(dá)到52%；“OTS4”和“OTS4+nano”超疏水表面氣膜損耗面積非常小，小于1%，這意味著實(shí)驗(yàn)中在這2種表面上方的氣膜基本上沒(méi)有損耗?？梢钥闯觯哂型瑯右患?jí)微結(jié)構(gòu)的表面，添加納米粒子后，表面上方氣膜的穩(wěn)定性得到了提升，氣膜的損耗面積減小了。

圖2 實(shí)驗(yàn)中超疏水表面上方的氣膜狀態(tài)

Fig.2 Statuses of air plastron on SH surfaces during measurement

2 槽道內(nèi)的減阻特性

根據(jù)達(dá)西-韋斯巴赫(Darcy-Weisbach)公式，通過(guò)測(cè)量流經(jīng)表面的壓降Δp和對(duì)應(yīng)的質(zhì)量流量Qm，槽道中的阻力系數(shù)f可計(jì)算為：

(1)

式中，L為2個(gè)壓力測(cè)量點(diǎn)間距，L= 140 mm；um=Qm/ρA為槽道內(nèi)截面平均流速,ρ為水的密度。

由早期工程研究可知，在充分發(fā)展的規(guī)則槽道流動(dòng)中，槽道內(nèi)部的阻力系數(shù)f可由經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算[20]：

(2)

其中Ra為表面粗糙度(對(duì)于帶微結(jié)構(gòu)表面，表面粗糙度為微結(jié)構(gòu)高度的一半)，k為無(wú)量綱系數(shù)：

(3)

其中r為截面比例系數(shù)。本實(shí)驗(yàn)中r=0.2，代入計(jì)算得k=77.0。

在本實(shí)驗(yàn)中，利用所測(cè)數(shù)據(jù)，阻力系數(shù)f可由式(1)算出。對(duì)于普通光滑表面情況，由測(cè)得數(shù)據(jù)算出的阻力系數(shù)f0分布和由經(jīng)驗(yàn)公式(2)算出的阻力系數(shù)曲線較為相符(圖3)。對(duì)于超疏水表面情況，由測(cè)得數(shù)據(jù)算出的阻力系數(shù)fs分布和經(jīng)驗(yàn)公式算出的阻力系數(shù)曲線形式相同，但需要加一個(gè)比例系數(shù)c修正，表示為fs=cf0。由于超疏水表面上氣-水界面的存在，對(duì)應(yīng)局部區(qū)域剪切力近似為零，因此超疏水表面上的阻力因子小于普通表面，即有c<1。通過(guò)曲線擬合的方法，對(duì)于不同超疏水表面的數(shù)據(jù)可以得到不同的c。據(jù)此，減阻率DR可定義為：

(4)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果，使用式(1)計(jì)算表面摩擦系數(shù)，并用式(4)計(jì)算對(duì)應(yīng)的減阻率。實(shí)驗(yàn)時(shí)，針對(duì)每種表面情況均測(cè)量3次，每次測(cè)量均在表面干燥后進(jìn)行(保證初始時(shí)表面均未失效)，并包含Re由小變大和由大變小的測(cè)量(為排除泵的滯留效應(yīng))。

圖3所示為實(shí)驗(yàn)中各種表面上方的阻力系數(shù)f隨雷諾數(shù)Re的變化。

圖3 阻力系數(shù)f隨雷諾數(shù)Re的分布

在圖3中，黑色實(shí)線為使用經(jīng)驗(yàn)公式(2)計(jì)算出的阻力系數(shù)結(jié)果，黑色實(shí)心方塊是普通表面的實(shí)驗(yàn)結(jié)果平均值?？梢钥闯?，普通表面的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和經(jīng)驗(yàn)值十分接近，這驗(yàn)證了本實(shí)驗(yàn)裝置的可靠性?？招牡臉?biāo)記點(diǎn)表示超疏水表面的結(jié)果，其中空心圓圈表示規(guī)則微米一級(jí)結(jié)構(gòu)表面，空心倒三角表示規(guī)則復(fù)合結(jié)構(gòu)表面。顏色表示不同的微柱間距(邊長(zhǎng)和間距相等)，綠色、藍(lán)色、紅色分別表示微柱間距為4、8和16 μm的超疏水表面。

從圖3可以看出，對(duì)于超疏水表面，其上方的阻力系數(shù)f在實(shí)驗(yàn)雷諾數(shù)范圍內(nèi)(700

表2為各超疏水表面在層流和湍流狀態(tài)下的減阻率。

表2 各超疏水表面的減阻率Table 2 Drag reductions (DR) of different SH surfaces

表2表明，實(shí)驗(yàn)采用的所有超疏水表面在層流和湍流下均具有一定的減阻效果，最大減阻率達(dá)到(38.6±4.5)%，對(duì)應(yīng)表面為“OTS4+nano”表面。

實(shí)驗(yàn)中，超疏水表面OTS16，OTS8和OTS4具有相同的固體面積分?jǐn)?shù)φs和相同的槽道內(nèi)截面平均流速um，但是對(duì)應(yīng)減阻率并不相同，減阻率DR隨微柱尺寸(邊長(zhǎng)和間距)增大而減小，這一現(xiàn)象是由于界面曲率和不穩(wěn)定性的影響導(dǎo)致的。在相同的固體分?jǐn)?shù)下，微柱的尺寸(邊長(zhǎng)和間距)越大，氣-水界面彎曲效應(yīng)越強(qiáng)，穩(wěn)定性越差，對(duì)應(yīng)表面減阻效果越弱。在本實(shí)驗(yàn)中，對(duì)于各種超疏水表面，湍流減阻效果均優(yōu)于層流減阻效果。這一結(jié)果與Lu等[21]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果類似。在Zhang等[22]的超疏水表面外流減阻研究中發(fā)現(xiàn)，對(duì)于湍流流動(dòng)，減阻是界面速度滑移和渦結(jié)構(gòu)改變共同作用的結(jié)果，因此減阻效果比層流狀態(tài)下更為優(yōu)異。此外，復(fù)合結(jié)構(gòu)表面(“+nano”表面)上方的氣膜面積比微米一級(jí)結(jié)構(gòu)表面的氣膜面積大(見(jiàn)圖2)，這說(shuō)明增添納米粒子增強(qiáng)了氣-水界面的穩(wěn)定性，進(jìn)而也提高了流動(dòng)的減阻率。

3 表面微結(jié)構(gòu)形狀對(duì)氣-水界面穩(wěn)定性影響的研究

為了研究表面微結(jié)構(gòu)形狀對(duì)流動(dòng)的影響，制作了不同形狀的微脊結(jié)構(gòu)。通過(guò)硅微刻蝕，在硅片上刻蝕了60 μm寬、50 μm深、28 000 μm長(zhǎng)的微槽，并在其側(cè)壁加工了微脊結(jié)構(gòu)，使用玻璃鍵合封閉槽道的上表面。設(shè)計(jì)加工了3類微脊結(jié)構(gòu)，分別為：普通柱狀微脊、單內(nèi)凹微脊(T形微脊)和雙內(nèi)凹微脊(傘形微脊)(圖4)。

圖4 微槽道內(nèi)3類微脊結(jié)構(gòu)

如圖4所示，3類微脊結(jié)構(gòu)的基本尺寸相同，s=40 μm，w=20 μm，h=20 μm，對(duì)于內(nèi)凹型結(jié)構(gòu)，內(nèi)凹面高度δ=5 μm。本實(shí)驗(yàn)測(cè)得流動(dòng)靜止條件下氣-水界面與壁面的夾角為(50±3)°，即壁面的本征接觸角。由此可知,加工壁面為親水表面。

圖5所示為微槽道內(nèi)氣-水界面穩(wěn)定性研究實(shí)驗(yàn)裝置。流動(dòng)由注射泵推動(dòng)，從左向右(圖示箭頭方向)流經(jīng)微槽道，最后流入集液杯中。集液杯應(yīng)放置在高于微槽道水平面的位置，以保證微槽道內(nèi)流動(dòng)正常進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)中選取ΔH= 100 mm。在微槽道上方，使用豎立式顯微鏡系統(tǒng)(OLYMPUS，BX51，目鏡2×，物鏡20×)觀測(cè)槽內(nèi)流體流動(dòng)情況，并使用高速相機(jī)(FASTCAM Mini UX100，Photron)拍攝入流界面。因?yàn)槿肓鬟^(guò)程時(shí)間很短(30 ms內(nèi)流經(jīng)整個(gè)觀測(cè)區(qū)域)，界面變化快，因此需要將高速相機(jī)調(diào)至高幀頻狀態(tài)，并于合適的時(shí)機(jī)進(jìn)行觸發(fā)。本實(shí)驗(yàn)高速相機(jī)幀頻為4000幀/s。

圖5 微槽道流動(dòng)顯示裝置

3種側(cè)壁類型的微槽道入流情況如圖6所示，圖中用點(diǎn)劃線將氣-水界面描繪出來(lái)。圖6(a)～(c)分別表示柱狀微脊結(jié)構(gòu)、單內(nèi)凹微脊結(jié)構(gòu)和雙內(nèi)凹微脊結(jié)構(gòu)。圖中流體從左往右流動(dòng)，相鄰2幅圖時(shí)間間隔為0.75 ms。

從圖6(a)可以看出，對(duì)于柱狀微脊結(jié)構(gòu)，當(dāng)水流入時(shí)，結(jié)構(gòu)間的氣-水界面會(huì)沿著豎直的側(cè)壁下滑，結(jié)構(gòu)間氣體會(huì)逐漸耗散，對(duì)應(yīng)氣-水界面逐漸消失。相比柱狀微脊結(jié)構(gòu)，單內(nèi)凹(T形)結(jié)構(gòu)在初始時(shí)可以捕捉氣-水界面(圖6(b))，但具有一定隨機(jī)性：氣-水界面一開(kāi)始在結(jié)構(gòu)內(nèi)凹面釘扎，但會(huì)很快坍塌，導(dǎo)致界面消失。雙內(nèi)凹(傘形)結(jié)構(gòu)則表現(xiàn)出優(yōu)異的性能(圖6(c))，即使表面是親水的，仍然可以較好地捕捉氣-水界面。圖7給出了3種表面上方的氣-水界面情況示意圖，在圖7(a)情況下，壁面對(duì)流體的表面張力(圖中的矢量T)會(huì)指向微結(jié)構(gòu)內(nèi)，使得液面不斷侵入微結(jié)構(gòu)間，即使槽道內(nèi)部流動(dòng)沒(méi)有驅(qū)動(dòng)壓差(Δp=0)，界面上也無(wú)法達(dá)到力平衡。對(duì)于單內(nèi)凹(T形)微脊結(jié)構(gòu)(圖7(b))，氣-水界面會(huì)停留在結(jié)構(gòu)的內(nèi)凹里側(cè)。此時(shí)，雖然液體和固壁的本征接觸角小于90°，但由于固壁的角度改變(翻轉(zhuǎn)180°)，使得壁面對(duì)液體的力指向流道內(nèi)部，從而能夠與Δp相抗衡。對(duì)于雙內(nèi)凹(傘形)微脊結(jié)構(gòu)(圖7(c))，氣-水界面能夠較好地存在于微結(jié)構(gòu)間。氣-水界面的發(fā)展可以分為2個(gè)階段。在第一階段，氣-水界面會(huì)懸掛在雙內(nèi)凹結(jié)構(gòu)的內(nèi)凹小平臺(tái)上，這時(shí)界面的狀態(tài)及發(fā)展與單內(nèi)凹結(jié)構(gòu)類似。當(dāng)Δp增加到第一臨界壓差Δpc1，界面開(kāi)始移動(dòng)，最終釘扎在結(jié)構(gòu)第二拐角處。隨著槽道壓差增大，界面在拐角處的變化如圖7(c)右上角放大圖中虛線所示。隨著壓差的增大，界面會(huì)不斷向結(jié)構(gòu)內(nèi)侵入。在這個(gè)過(guò)程中，存在氣-水界面切線與水平方向夾角等于90°的時(shí)刻，此時(shí)氣-水界面懸掛在壁面第二拐角上，壁面對(duì)界面的張力完全用來(lái)與槽道壓差相抗衡，表面張力的效能發(fā)揮到最大，因此具有較好的氣-水界面穩(wěn)定性。

根據(jù)第2節(jié)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以推測(cè)，傘形結(jié)構(gòu)持有氣體的能力最強(qiáng)，有可能帶來(lái)明顯的減阻效果，需要后續(xù)實(shí)驗(yàn)予以驗(yàn)證。

圖6 3種微槽道側(cè)壁類型的入流情況

圖7 3種結(jié)構(gòu)上方的氣-水界面情況及力平衡關(guān)系示意

4 結(jié) 論

具有相同固體面積分?jǐn)?shù)、不同微結(jié)構(gòu)尺寸的超疏水表面的扁平矩形槽道，在層流和湍流下均具有一定的減阻效果，最大減阻率在具有最小結(jié)構(gòu)間距的微納二級(jí)結(jié)構(gòu)表面上實(shí)現(xiàn)，為(38.6±4.5)%。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn):減阻率和氣-水界面的穩(wěn)定性與微結(jié)構(gòu)層級(jí)、微結(jié)構(gòu)尺寸、槽道流態(tài)和微結(jié)構(gòu)形貌均有一定關(guān)系：

(1) 復(fù)合結(jié)構(gòu)可以顯著提升減阻效果，這是由于增加納米二級(jí)結(jié)構(gòu)減小了原有表面的固體面積分?jǐn)?shù)，并提高了氣-水界面的穩(wěn)定性。

(2) 相同的固體面積分?jǐn)?shù)表面不一定具有相同的減阻效果，減阻率還和表面結(jié)構(gòu)尺度相關(guān)。結(jié)構(gòu)間距越小，表面氣-水界面越穩(wěn)定，對(duì)應(yīng)減阻率越高。

(3) 在本實(shí)驗(yàn)研究中,湍流減阻效果優(yōu)于層流減阻效果。

(4) 利用雙內(nèi)凹(傘形)微脊結(jié)構(gòu)，在微槽道中使用親水材料也可以有效捕捉氣體，形成穩(wěn)定的氣-水界面，從而實(shí)現(xiàn)超疏水性能，減小流動(dòng)阻力。