仿生減阻表面的進展與挑戰(zhàn)

劉明杰 吳青山 嚴昊 于存明 藺存國 張金偉 趙天藝

(1. 北京航空航天大學 化學學院, 北京 100083;2. 中國船舶重工集團公司第七二五研究所 海洋腐蝕與防護重點實驗室, 青島 266237)

自20 世紀70 年代開始,全球能源危機日益加劇,導致各種新型節(jié)能減排技術(shù)的發(fā)展變得日益緊迫[1]。 幸運的是,自然界中的生物總是可以提供靈感,經(jīng)過數(shù)十億年的自然選擇和進化,它們在如何更高效地利用能量方面展現(xiàn)出了卓越的本領(lǐng)。 例如,高效飛行的鳥類為優(yōu)化各種飛行器提供了靈感,長期快速游動的魚類則為優(yōu)化各種水下艦艇提供了許多指導等[2]。 近幾十年來,仿生學蓬勃發(fā)展,尤其是關(guān)于流體控制領(lǐng)域。 流體控制領(lǐng)域的目標主要包括減阻、提高升力、減少流體誘導的噪聲和促進傳熱等[3-4],其中減阻技術(shù)對于飛機、潛水器、水面艦船和長距離管道等系統(tǒng)都有著巨大的應用需求,因此顯得尤其重要[1,5-6]。

當流體在真實環(huán)境中流過一個物體時,根據(jù)不同的情況可能會產(chǎn)生許多類型的阻力,如摩擦阻力、形狀阻力(壓差阻力)、誘導阻力、波動阻力和干涉阻力等[7],其中摩擦阻力和形狀阻力是最常見也是影響最大的2 類阻力,目前的減阻技術(shù)主要研究如何降低這2 類阻力的負面影響。 對于形狀阻力,自然界中的生物一般是盡可能地使自身形態(tài)成流線型,這樣可以大大減少壓差阻力。對于摩擦阻力,不同的生物采用了不同的策略,其中最典型3 類分別為:①海豚,可以利用其光滑柔性表面的黏彈特性形成順服表面,從而延緩表面流體的轉(zhuǎn)捩,實現(xiàn)高效的游動[8];②鯊魚,表面具有精細的三維齒狀結(jié)構(gòu),可以有效地調(diào)控近壁面的湍流結(jié)構(gòu),從而實現(xiàn)高速的游動[9];③荷葉,可以在表面形成一層氣墊,從而導致水滴在其表面的摩擦阻力減少[10]。 經(jīng)過近幾十年的研究,這3 種策略已經(jīng)逐漸發(fā)展成為減阻技術(shù)中最重要的三大分支,即行波減阻、微結(jié)構(gòu)減阻和超疏水減阻。

本文聚焦于目前仿生減阻技術(shù)方面的研究進展,主要討論以海豚、鯊魚和荷葉表面為仿生原型的順服表面行波減阻、微結(jié)構(gòu)減阻和超疏水減阻技術(shù),并總結(jié)其最新進展、減阻機理和應用前景,旨在對目前仿生流體控制領(lǐng)域中的減阻研究進行全面的梳理。

1 海豚表面啟發(fā)的順服表面減阻

1.1 順服表面減阻

順服表面是指在水流的沖擊下會被動發(fā)生形變的柔性表面。 順服表面可以更好地適應水流流過,使水流中引起轉(zhuǎn)捩發(fā)生的不穩(wěn)定波變?nèi)?進而推遲層流在表面的轉(zhuǎn)捩,導致層流區(qū)域在表面變長,從而實現(xiàn)減阻[11]。 順服表面是最典型的也是最早啟發(fā)學者們開始研究其減阻性能的,即海豚表面。 海豚表面非常光滑,平均粗糙度僅5.3 μm左右[12],如圖1(a)所示。 通過進一步切片研究發(fā)現(xiàn),海豚表皮下方有許多可以感受水壓的乳頭結(jié)構(gòu)。 這些被包裹在皮下組織的液體會隨著壓力的變化流出或流入細管,細管嵌入皮下組織導致皮膚上下收縮或腫脹, 進而產(chǎn)生振動[8], 如圖1(b)所示。 這種受到湍流的壓力變化而被動地振動并導致行波在表皮上傳播,從而推遲表面流體轉(zhuǎn)捩進而減少摩擦阻力的情況被稱為順服表面減阻。

圖1 海豚表面結(jié)構(gòu)Fig.1 Dolphin surface structure

順服表面的減阻實驗研究最早是由Kramer[13]在1960 年進行的,在一個圓柱表面覆蓋了一層模仿海豚表皮的柔性涂層,測試了其減阻性能,相同條件下,覆蓋柔性層的圓柱比純圓柱的速度提高近一倍,不過該實驗結(jié)果一直存在爭議。 直到20 世紀80 年代,Carpenter 和Garrad[14]詳細討論了“Kramer 爭議”,并在理論上證實了Kramer 的柔性表面確實可以推遲層流到湍流的轉(zhuǎn)捩。 隨著進一步的研究,發(fā)現(xiàn)在優(yōu)化順服表面減阻性能時,盡管順服表面可以有效地減少TS(Tollmien-Schlichting)波的增長,但是順服表面的阻尼會造成不穩(wěn)定波的增長。 1984 年,Gad-el-Hak 等[15]發(fā)現(xiàn)了行波減阻中的色散會導致非線性效應。 1990 年,Carpenter[11]研究了行波顫振對行波減阻的影響,并提出了彈簧-平板-桿模型來解釋減阻機理。 至此,關(guān)于順服表面的行波減阻的優(yōu)化思路主要是:抑制TS 波增長的同時,減少順服表面的行波顫振和由色散所導致的非線性效應。 之后的研究開始以理論研究為主。 2017 年,Tsigklifis 和Lucey[16]對零壓力梯度邊界層中的順服表面進行了局部和全局穩(wěn)定性分析,發(fā)現(xiàn)TS 波和行波顫振失穩(wěn)都可以形成全局失穩(wěn)。 2018 年,Nagy 和Paál[17]對只能沿順流方向運動的順服表面的轉(zhuǎn)捩延遲性能進行了研究,發(fā)現(xiàn)順服表面的展向運動不影響TS 波不穩(wěn)定性的增長速率,且不會產(chǎn)生對流不穩(wěn)定性。 從上述研究進展可以發(fā)現(xiàn),2000 年之前的研究主要討論影響行波減阻的因素,探索并證明其減阻機理。 進入21 世紀之后,學者們將目光投向了理論模擬,希望利用理論模擬來為實驗提供指導。

1.2 順服表面的減阻機理

順服表面與水流相互作用的關(guān)系對于研究減阻機理是非常重要的。 實驗中,順服表面對水流產(chǎn)生的非定常力的響應性區(qū)別較大,因此很難用統(tǒng)一的模型去解釋。 目前的理論模型有2 類:一類是以表面為主體的模型,即考慮表面的運動方程時不考慮垂直于表面的變量影響;第二類則是以體積為主體的模型,該模型同時考慮表面的運動和垂直于表面的運動。 對于表面型減阻模型,理論認為產(chǎn)生一個負的雷諾剪應力是減少湍流不穩(wěn)定發(fā)展的方法。 于是Grosskreutz[18]根據(jù)該思路設(shè)計了一種各向異性的順服表面,如圖2 所示[11]。 Carpenter[11]根據(jù)該表面提出了各向異性的彈簧-平板-桿模型,用來分析和解釋減阻的原因。 當桿的偏轉(zhuǎn)角度等于0 時,就變成了經(jīng)典的Kramer 順服表面,即彈簧-平板模型。 對于體積型減阻模型,則是從理論上最簡單的順服表面出發(fā),認為表面是一層理想均勻的黏彈性層。 Duncan等[19]根據(jù)Navier 方程,適當擴展黏彈性相,從而提出了體積模型。 Yeo[20]隨后發(fā)展出了單層和雙層的纖維復合的各向異性順服表面模型。

圖2 順服表面的減阻機理[11]Fig.2 Drag reduction mechanism of compliant surface[11]

非定常流體在順服表面的流動涉及2 種含波介質(zhì)的相互作用,與剛性平面的區(qū)別在于順服表面涉及失穩(wěn)模式的擴散。 對于剛性平面和順服表面,TS 波是導致邊界層不穩(wěn)定從而轉(zhuǎn)捩的原因。除此之外,對于順服表面目前還有2 類不穩(wěn)定,即色散和行波顫振。 通過對邊界層的雷諾剪切力的研究表明,壁面的柔性對擾動速度既有局部影響也有較長范圍的影響。 盡管局部增加雷諾應力不利于穩(wěn)定,但是長程來看總體的雷諾剪切力會大大下降。 由于雷諾應力產(chǎn)生的能量減少和向壁面?zhèn)鬟f的能量增加,柔度的增加對TS 波具有穩(wěn)定作用。 對于行波顫振,其產(chǎn)生的主要原因是壁面壓力脈動所產(chǎn)生的不可逆功。 阻尼會起到不利的結(jié)果,Gad-el-Hak[21]發(fā)現(xiàn),當阻尼增大時,壁面的行波顫振會被色散作用取代。 行波顫振的臨界速度小于色散的臨界速度,因此阻尼的增加更傾向于穩(wěn)定行波顫振,從而使得色散成為主要的不穩(wěn)定性。 總之,TS 波的抑制有利于減阻,行波顫振和色散則對減阻不利。

1.3 挑 戰(zhàn)

目前的實驗表明,在使用針對局部雷諾數(shù)定制的較小的順服表面時效果更好,因此在不影響抑制TS 波發(fā)展的情況下,順服表面可以做多小是值得進一步研究的問題[11]。 另外,這種順服表面對于氣流來說,需要很精細的壁面,似乎很難在實際應用中采用[22]。 總之,柔性壁面為邊界層流體的控制開辟了新的思路,在實際應用中也有著巨大的潛力。

2 鯊魚皮表面啟發(fā)的微結(jié)構(gòu)減阻

2.1 微結(jié)構(gòu)減阻

海洋中高速游動的生物為減少船舶和其他水下航行器(如潛艇、魚雷等)的阻力提供了大量的靈感,其中鯊魚可以稱為海洋中的“速度之王”,世界上速度最快的鯊魚(Isurus oxyrinchus)速度可以超過56 km/h。 之所以可以游動的如此之快,除了完美的流線型身體將壓差阻力降至最低,還與表面的三維齒狀結(jié)構(gòu)有關(guān)。 這與海豚光滑的表面截然相反。 鯊魚皮表面含有精細的表面微結(jié)構(gòu),可以有效調(diào)控近壁面的湍流結(jié)構(gòu),從而大大降低表面的摩擦阻力[23]。 這打破了人們曾經(jīng)認為只有越光滑的表面才更能有效減阻的常規(guī)認知,并開啟了微結(jié)構(gòu)減阻的新思路。

鯊魚表面的齒狀結(jié)構(gòu)大小約為0. 2 ～0.5 mm,分為外層和內(nèi)層,如圖3 所示。 外層由牙釉質(zhì)組成,內(nèi)層則是堅硬的骨骼結(jié)構(gòu)。 齒狀結(jié)構(gòu)表面還存在平行于水流方向的溝槽,溝槽高度約為8 μm,寬度約為60 μm[24]。 值得注意的是,這種齒狀結(jié)構(gòu)不會隨著鯊魚的增長而變大,其大小主要取決于生長的位置和鯊魚的種類[25]。 通過直接用新鮮鯊魚皮或復制鯊魚皮牙齒結(jié)構(gòu)進行減阻分析的結(jié)果表明,鯊魚皮確實可以減少阻力,提高游速和防污[26]。 由于鯊魚皮膚齒狀體結(jié)構(gòu)復雜,難以大規(guī)模生產(chǎn),為了方便研究,研究人員往往將鯊魚皮表面精細的三維結(jié)構(gòu)簡化成不同形狀的肋條結(jié)構(gòu)。 一般將含有溝槽的三維齒狀結(jié)構(gòu)簡化成截面形狀為三角形(或V 型)、梯形、圓形、矩形和波浪形等的二維肋條結(jié)構(gòu)[27],再根據(jù)不同肋條結(jié)構(gòu)的形狀和尺寸,在一定條件下(如流體介質(zhì)和流體速度)獲得最佳的減阻能力。 最早開始研究肋條結(jié)構(gòu)減阻的是NASA 蘭利研究中心,20 世紀80 年代,Walsh[28]研究了含有肋條結(jié)構(gòu)的平板的湍流減阻性能,發(fā)現(xiàn)當V 型肋條的無量綱高度h+≤25,無量綱寬度s+≤30 時會出現(xiàn)減阻效果,當h+=13,s+=15,能實現(xiàn)7% ～8%的最佳減阻效果,該結(jié)果也為之后的研究提供了指導。之后肋條結(jié)構(gòu)減阻的研究采用的無量綱尺度基本都在10 ～30 之間。 1985 年,Bacher 和Smith[29]研究了三角肋條的減阻性能,提出了二次渦理論。1989 年,Bechert 和Bartenwerfer[30]研究了含有肋條結(jié)構(gòu)的湍流邊界層中黏性底層的性質(zhì),提出了突出高度理論,為之后的溝槽結(jié)構(gòu)減阻提供了理論基礎(chǔ)。 1997 年,Bechert 等[31]結(jié)合理論與實驗優(yōu)化了肋條結(jié)構(gòu)的條件,提出當肋條的高度為相鄰肋條間距的一半時具有最佳的減阻效果(能達到8.7%)。

圖3 鯊魚皮的結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of shark skin

盡管早年關(guān)于肋條結(jié)構(gòu)表面的減阻效果進行了許多研究與優(yōu)化,但是顯然人造肋條表面與真實的鯊魚皮還有很大的差距,這主要是因為真實的鯊魚皮表面的齒狀結(jié)構(gòu)是三維的,除了肋條之外,還可以在水流的作用下改變攻角,使得鯊魚皮可以更加適應水流。 隨著3D 打印技術(shù)的興起,鯊魚皮復雜的三維結(jié)構(gòu)也可以實現(xiàn)完美的復制。2014 年,Lauder 課題組[32]利用micro-CT 技術(shù)掃描鯊魚皮的結(jié)構(gòu),并且利用3D 打印技術(shù)進行了復制,制備了一個含有人造三維的鯊魚皮膚的游動裝置,發(fā)現(xiàn)其游泳速度可以提高6.6%,認為這是因為真實的三維結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生一個更大的前緣漩渦。 2018 年,Miyazaki 等[33]提出了三維鯊魚皮齒狀結(jié)構(gòu)的形態(tài)不均勻性在被動控制局部湍流中起著關(guān)鍵作用。 總之,目前關(guān)于鯊魚皮簡化的二維肋條結(jié)構(gòu)的減阻研究已經(jīng)比較全面,基本上可以實現(xiàn)8%左右的減阻效果,不過對于三維的齒狀結(jié)構(gòu)的減阻機理研究還不夠,甚至出現(xiàn)很多矛盾的地方。 例如,2016 年Boomsma 和Sotiropoulos[34]利用數(shù)值模擬的三維鯊魚皮結(jié)構(gòu)不僅沒有減阻,還增加了阻力。 因此,關(guān)于三維齒狀結(jié)構(gòu)的減阻機理還需要進一步的研究。

2.2 二維肋條結(jié)構(gòu)的減阻機理

關(guān)于鯊魚皮減阻的機理主要是針對二維肋條結(jié)構(gòu),有2 種理論[36],如圖4 所示。 第一種理論是突出高度理論,突出高度是指高于黏性底層的高度。 突出高度分又為2 種情況:①當水流方向與肋條結(jié)構(gòu)平行時,突出高度如圖4(c)上部所示,指從肋條頂端到溝槽底部黏性底層處的高度;②當水流方向與肋條結(jié)構(gòu)垂直時,由于溝槽內(nèi)部會產(chǎn)生低流速的漩渦,相當于提高了黏性底層的高度,這種情況的突出高度如圖4(c)下部所示,這時縱向的突出高度與橫向的突出高度會有一個高度差,該高度差說明了水流更容易沿著肋條方向運動,很少發(fā)生橫向的運動,說明肋條結(jié)構(gòu)可以將水流限制在肋條之間,減少了橫向運動的消耗,從而減少了阻力。 另外,當流向渦的尺度比肋條的間距要大時,漩渦與肋條尖端的接觸面積很小,這也減少了與壁面的摩擦阻力。

圖4 鯊魚皮的減阻機理[36]Fig.4 Drag reduction mechanism of shark skin[36]

第二種理論是二次渦理論。 尺度較大的流向渦不會進入槽內(nèi),但是會有一些尺度較小的二次渦進入槽內(nèi),而這些停留在槽內(nèi)的二次渦會對阻力產(chǎn)生影響,當肋條的寬度和深度適當時,溝槽底部會出現(xiàn)渦流,這些旋渦像軸承一樣不斷滾動,使其與壁面的摩擦阻力變成了動力,從而實現(xiàn)減阻,如圖4(b)所示[29]。 二次渦可以有效地削弱湍流動量的交換,減少流向渦射流和掃流事件的發(fā)生。 同時,二次渦的存在會導致流體在流經(jīng)微結(jié)構(gòu)表面時發(fā)生部分滑移。 總之,肋條結(jié)構(gòu)的存在可以阻礙流向渦的展向運動,并且肋條結(jié)構(gòu)還會在流動方向上產(chǎn)生渦流,將高湍動能區(qū)域推離肋條表面,導致湍流動量傳遞和表面摩擦減小。

2.3 挑 戰(zhàn)

雖然關(guān)于鯊魚皮仿生微結(jié)構(gòu)減阻的研究已經(jīng)取得了巨大的進展,但是要想在實際場合中應用,仍有許多問題需要解決。 首先,大面積制備的工藝仍需要改進,目前關(guān)于3D 打印的制備技術(shù)還不能實現(xiàn)大面積制備,而滾動熱壓方式的精度還需要提高[24,34]。 其次,真實的鯊魚皮三維齒狀結(jié)構(gòu)是可以運動的[35],會根據(jù)不同場合改變其攻角,目前人造的鯊魚皮結(jié)構(gòu)還不具備實時運動的能力。 最后,關(guān)于鯊魚皮三維齒狀結(jié)構(gòu)的減阻機理目前還缺乏統(tǒng)一的解釋,需要進一步的研究[29]。 當然,受鯊魚皮啟發(fā)的微結(jié)構(gòu)減阻打破了之前認為只有光滑表面才減阻的認知壁壘,為之后各種新型的基于非光滑表面的減阻技術(shù)提供了不同的研究途徑。

3 荷葉表面啟發(fā)的超疏水減阻

3.1 超疏水減阻

新型的非光滑表面減阻技術(shù)中最典型的就是超疏水減阻。 超疏水表面通常由經(jīng)過化學處理的疏水的微/納米尺度結(jié)構(gòu)組成,其最普遍的區(qū)分方式是根據(jù)接觸角來定義,即當水與表面的接觸角大于150°時[37],稱該表面為超疏水表面。 值得注意的是,對于一般光滑的疏水表面,其與水的接觸角一般不會超過120°,因此要想實現(xiàn)超疏水,即進一步增加疏水表面的接觸角,需要在疏水的基礎(chǔ)上引入微/納結(jié)構(gòu)[10]。 之所以如此,是因為對于粗糙表面的浸潤性而言(見圖5(a)),分為2 種情況:對于已經(jīng)浸潤的粗糙表面,根據(jù)Wenzel 模型[38],其實際的表觀接觸角cosθw=rcosθref;對于非浸潤的粗糙表面, 根據(jù) Cassie-Baxter 模型[39],其實際表觀接觸角cosθc=φscosθref-φg,φs表示表面固體組分的占比,φg表示表面氣體組分的占比。 這2 種模型都表明隨著表面粗糙度的增大,表觀接觸角會比固有的光滑表面的接觸角要大。 即引入表面粗糙結(jié)構(gòu)可以使親水表面更親水,疏水表面更疏水。 這也解釋了為什么目前發(fā)現(xiàn)的大自然中的各種超疏水表面往往都具有微/納結(jié)構(gòu)。

圖5 超疏水表面Fig.5 Superhydrophobic surface

超疏水現(xiàn)象在許多自然界中的生物表面都能發(fā)現(xiàn),其中,最典型的例子就是荷葉表面。 早在1997 年,Barthlott 和Neinhuis[10]就發(fā)現(xiàn)荷葉表面的結(jié)構(gòu)由許多微納米的突起結(jié)構(gòu)和表層蠟晶體組成(見圖5(b)),并且提出正是由于表面的這些微結(jié)構(gòu)和疏水表層蠟導致了超疏水現(xiàn)象,在水滴的滾動作用下可以帶走表面的固體污染物從而實現(xiàn)自清潔。 學者們將這種出淤泥而不染的超疏水自清潔現(xiàn)象稱為荷葉效應。 2002 年,Kim 等[40]制備了具有微納米尺度微結(jié)構(gòu)的超疏水表面,發(fā)現(xiàn)液滴在這種表面上具有減阻效果,并提出了有效滑移的概念。 至此開啟了學者們對于超疏水表面減阻功能的研究。 2003 年,Lauga 和Stone[41]研究了縱向條紋(沿水流方向)和橫向條紋(垂直水流方向)這2 種超疏水微納結(jié)構(gòu)在壓力驅(qū)動的斯托克斯管道流中的減阻情況,發(fā)現(xiàn)當滑移區(qū)的間距較小時,縱向條紋的有效滑移長度是橫向條紋的2 倍。 2006 年,Henoch 等[42]研究了“納米草”和“納米磚”結(jié)構(gòu)在湍流中的減阻效果,發(fā)現(xiàn)與光滑的PVC 平板相比,層流中的阻力下降了50%,湍流中的阻力下降了約10%。 2009 年,Daniello[43]和Woodlford[44]等分別通過壓力降及PIV 的方式測試了縱向條紋在湍流中的減阻效果,發(fā)現(xiàn)縱向條紋約有18%的減阻效果,但是橫向條紋減阻效果不明顯甚至會增加阻力。 2013 年,Aljallis 等[45]研究了大面積疏水納米粒子噴涂涂層的減阻效果,發(fā)現(xiàn)在高雷諾數(shù)下可以實現(xiàn)約30%的減阻效果。 2015 年,Cohen 課題組[46]研究了泰勒-庫埃特流中超疏水轉(zhuǎn)子表面的減阻能力,提出在高雷諾數(shù)下,有效滑移長度與雷諾數(shù)的平方根相關(guān)。2020 年,Kim 課題組[47]首次報道了在真實戶外環(huán)境中超疏水表面減阻的成功案例。

通過上述關(guān)于超疏水減阻的研究進展可以發(fā)現(xiàn),從開始關(guān)于有效滑移長度的理論研究,再到實驗室條件下層流湍流實驗的驗證,以及大面積的超疏水表面減阻測試和實際開放水域超疏水表面減阻的成功案例報道,超疏水減阻似乎越來越接近實際應用,這對于海洋運輸、遠距離液體運輸管道系統(tǒng)等來說是一個令人振奮的消息。

3.2 超疏水減阻的機理

關(guān)于超疏水減阻機理,目前普遍用有效滑移長度給予解釋。 當超疏水表面處于水下時,在粗糙結(jié)構(gòu)之間會捕獲空氣。 與傳統(tǒng)的固-液界面無滑移的邊界條件不同,超疏水表面上的部分氣-液界面將導致有效滑移。 當滑移長度與流體結(jié)構(gòu)的特征尺寸相當時,可以出現(xiàn)減阻效果。 如圖6(a)所示,根據(jù)Navier 潤滑模型[48],潤滑長度λ表示潤滑速度線性外推至0 的虛擬表面與真實表面(y=0)之間的距離。

在層流中[49],超疏水表面減阻主要與滑移長度和流動幾何形狀的特征長度有關(guān),當滑移長度與流體幾何形狀的特征長度相當時,可以顯著減少表面摩擦阻力。 但是在湍流中[50],滑移長度不再是決定湍流減阻的唯一決定性因素,不僅涉及固體壁面的有效滑移,還涉及近壁面湍流結(jié)構(gòu)的抑制[51],如圖6(b)所示。

圖6 滑移長度Fig.6 Slip length

要想實現(xiàn)有效的超疏水減阻,有3 個基本原則:①表面微結(jié)構(gòu)之間要有足夠的寬度,即產(chǎn)生盡可能大的滑移長度;②微結(jié)構(gòu)的高度要低,要小于流體的黏性尺度;③最好有多級結(jié)構(gòu)來幫助保持氣體和抵抗液體的浸潤。

3.3 挑 戰(zhàn)

超疏水減阻目前的主要挑戰(zhàn)在于空氣層的壽命問題,大多數(shù)實驗室流動系統(tǒng)(如水洞)中,超疏水表面的被困空氣很少受到挑戰(zhàn),甚至大部分是設(shè)計成對表面空氣層有利的,而在真實的開放水域中,大部分情況下的水是欠飽和水(如海水和拖曳水池),并且隨著深度的增加,被困的氣泡層還會受到越來越大的靜壓挑戰(zhàn),根據(jù)亨利定律可知,靜水壓的增大會增加氣體在水中的擴散速率,這進一步減少了空氣層的壽命,對超疏水減阻構(gòu)成了根本性挑戰(zhàn)[49-50]。 此外,如果開放水域處于典型的野外自然環(huán)境條件下,則水中可能還會含有大量的化學物質(zhì)(如表面活性劑)和顆粒污染物,并存在大量的不確定性(如溫度和鹽度),這些不確定性大多都不利于維持長效性的減阻。目前,關(guān)于延長空氣層壽命學者們也做出了許多努力:第一種思路是增強表面束縛氣體的能力,如采用多級次的結(jié)構(gòu)來增強固定空氣的能力[52];第二種則是直接給表面補充氣體,如人工地去給表面氣體增加壓力[53],或利用表面電解等方式產(chǎn)生氣體來自我補充[54]。 總的來說,目前關(guān)于超疏水表面的研究都展現(xiàn)了其在減阻方面的巨大潛力,不過超疏水表面還可能在自清潔、防霧、防冰、防生物黏附和防腐蝕等其他領(lǐng)域發(fā)揮出令人期待的作用。

4 結(jié)束語

減阻技術(shù)在很多應用場合都有著巨大的潛力,本文從仿生流體控制領(lǐng)域出發(fā),總結(jié)了3 類受生物啟發(fā)的減阻技術(shù)的研究進展、減阻的機理和存在的挑戰(zhàn)與問題。 海豚表面的柔性順服表面具有更強的水流適應性,能有效抑制表面TS 波發(fā)生推遲轉(zhuǎn)捩,從而實現(xiàn)了有效的減阻效果。 而鯊魚皮表面進化出的精細的三維齒狀結(jié)構(gòu),打破了只有光滑表面能減阻的常規(guī)認知,開啟了微結(jié)構(gòu)減阻。 研究發(fā)現(xiàn),鯊魚皮的微結(jié)構(gòu)可以有效調(diào)控表面湍流的結(jié)構(gòu),并且抑制表面水流的橫向位移,減少了壁面消耗,從而實現(xiàn)減阻。 新型微結(jié)構(gòu)減阻中最典型的超疏水減阻,其受到荷葉等具有疏水微/納結(jié)構(gòu)的啟發(fā),發(fā)現(xiàn)可以通過表面疏水的微結(jié)構(gòu)束縛氣泡,從而有效增加壁面的滑移長度,實現(xiàn)減阻。 總之,大自然中的生物可以為新型減阻技術(shù)提供源源不斷的靈感,并且這些新型減阻技術(shù)目前都已經(jīng)得到了蓬勃的發(fā)展。 當然,現(xiàn)今最先進的技術(shù)往往需要多學科的交叉融合,這也是新型減阻技術(shù)需要進一步探索和研究的地方。