超疏水沟槽表面通气减阻实验研究

减阻是解决航行体提速和增程的主要技术途径之一,对缓解日益严峻的能源危机极为重要.在重力式管道实验系统中,测试给出了湍流状态下不同通气速率时减阻率随雷诺数及沟槽无量纲间距的变化规律和气膜铺展状态,对比分析了单纯超疏水表面与超疏水沟槽表面上通气时减阻效果的差异.实验板材质为无色亚克力,沟槽结构采用机械方法加工,并在表面喷涂超疏水涂层.结果表明,持续通气能解决超疏水沟槽表面气膜层流失问题,实现气膜层长时间稳定维持;恒定雷诺数下,随通气速率增大,超疏水沟槽表面气膜铺展更趋均匀,减阻率上升;由于通气速率影响气膜横向扩展能力,致使恒定通气速率下,减阻率随雷诺数的变化呈现两种模式;在固定雷诺数及通气速率时,减阻率随沟槽尺寸的扩大先增后减, S⁺≈76时减阻率最大.分析其原因在于,沟槽结构增大沾湿面积的同时,显著提升了通气状态下超疏水表面气膜层的稳定性,因而展示出与超疏水表面和沟槽表面均不相同的减阻规律,且效果更佳.     

基于滑移理论的超疏水表面减阻性能分析

采用滑移理论计算和数值模拟方法研究超疏水表面的减阻性能.层流流动状态的数值模拟和理论计算结果的一致性较好,并可证明滑移速度与通道内流体速度之比与无量纲压降比的数量级相当;湍流状态的数值仿真结果表明,在目前可实现的滑移速度范围内,超疏水表面对水下航行器的流体阻力影响不显著.     

超疏水表面滑移理论及其减阻应用研究进展

减阻技术对提高原油采收率、降低液体流动阻力具有十分重要的意义.通过论述超疏水表面结构的基本理论、超疏水表面形成的主要影响因素和近年来仿生超疏水表面的制备方法,综合分析了超疏水表面滑移理论和基于这一理论的减阻技术的研究进展,并简单介绍了其在石油储层微孔道纳米降压减阻方面的应用,展望了超疏水表面滑移理论及其减阻技术的研究重点及应用前景.      

逆向涡对超疏水壁面减阻影响的TRPIV实验研究

超疏水壁面由于具有减阻和自清洁功能而成为国内外减阻和海洋防污等研究领域的热点之一,而20世纪湍流中相干结构的发现为湍流的控制指出新的方向,尤其近壁区涡结构对摩擦阻力贡献很大.利用高时间分辨率粒子图像测速技术,研究了超疏水壁面(SH)以及亲水壁面(PH)湍流边界层中正负展向涡的空间分布特征,研究逆向涡对超疏水壁面近壁区流动结构的影响和超疏水壁面的减阻机理.首先利用空间多尺度局部平均涡量的概念提取壁湍流发卡涡展向涡头(顺向涡)和逆向涡,实现了准确识别涡心并排除小尺度涡的干扰;然后根据检测到的顺向涡和逆向涡流线分布图,发现逆向涡始终处于正向涡的上游和下方,并且对正向涡的进一步发展起抑制作用;最后对两种壁面边界层中逆向涡数量以及出现概率进行对比,发现具有减阻效果的超疏水壁面边界层中出现更多逆向涡.说明逆向涡可抑制上方顺向涡与壁面的强烈剪切,并使靠近壁面的流体加速,从而产生减阻效果;超疏水壁面中涡结构具有更大的β角,使其更好地阻碍了发卡涡头附近强烈的喷射和扫略;超疏水壁面逆向涡出现概率明显大于亲水壁面.这些结果表明:超疏水壁面表现出的减阻特性(Reδ≈13 500,减阻5.8%)与两板产生逆向涡的差异有关.     

回转体表面条纹沟槽减阻水洞实验研究

本文在条纹沟槽表面减阻理论分析的基础上,对条纹沟槽表面回转体进行了大量的水洞实验研究。实验模型表面条纹沟槽采用直接加工方法,头部线型为双参数平方根圆头曲线,尾部线型为双参数尖尾曲线。实验结果分析表明,与相同形状、尺寸的光滑表面回转体相比,条纹沟槽表面回转体在一定速度范围内存在很好的减阻效果,最大减阻量超过6%,且在小攻角范围内减阻量基本稳定,对回转体升力特性也没有影响。对比不同尺寸条纹沟槽的减阻效果发现,降阻量不但随条纹沟槽宽度S变化,而且随来流速度U∞变化,即与无因次沟槽宽度S (文中近似取S =S.LRe2Ckx,其中k为总阻力Cx的修正因子)存在着一定的关系。对于V型条纹沟槽具有减阻效果的S 的范围在10到60之间。本文研究证明,条纹沟槽表面减阻技术在水下航行器设计领域有着很好的应用前景,同时文中所取得的研究成果对该技术的应用具有一定的促进作用。     

微纳结构超疏水表面的湍流减阻机理研究

超疏水表面的优异性质使其在现代生活和工业生产中具有十分广泛的潜在应用价值. 本文采用了碳纳米管缠绕技术和聚氟硅氧烷疏水化处理方法制备了具有二级微纳米结构的超疏水表面. 测量了由该超疏水表面构建的槽道中的流动压降,将其与普通表面构建的槽道内的流动压降进行比较,发现在层流情况下,流动阻力减小最多达到了22.8%. 在湍流的情况下,超疏水表面的减阻比例约为53.3%,减阻效果比层流更加明显.利用PIV (particle image velocimetry) 技术测量了具有超疏水表面的槽道内的速度场,通过超疏水表面速度滑移和湍动脉动场信息,分析了湍流减阻效果比层流更加明显的物理机制.     

水下减阻技术研究综述

在简要回顾早期减阻研究的基础上,对现有典型水下湍流减阻技术进行了较深入地分析.重点介绍了脊状表面减阻、微气泡减阻和疏水/超疏水表面减阻的研究现状.分别从实验研究和理论研究两方面对其进行了阐述,并着重强调了各自的减阻机理. 此外,还简要介绍了柔顺壁面减阻、壁面振动减阻等其它减阻技术.展望了水下减阻技术今后的研究重点及其应用前景.      

湍流流动中鲨鱼皮表面流体减阻研究进展

快速游动的鲨鱼, 其皮肤表面沿流动方向有序地排列着沟槽状结构, 人们认为这种结构能在湍流流动 中减小表面摩擦阻力. 人们仿真这种生物结构来进行实验研究和应用, 通过复制和改善鲨鱼皮肤表面沟槽状 结构, 使得摩擦阻力最大减小了近10%. 在实验和模拟仿真中, 人们不断讨论和研究湍流流动阻力的形成机制 和沟槽减阻的理论特性. 本文综述了沟槽减阻理论特性的一些研究方法, 并且归纳定义了沟槽减阻最优几何 形状及其尺寸; 详细考虑流体流动的特点, 给出了一种用来选择最优沟槽形状及其尺寸的方法; 综述了目前的 沟槽加工制造技术. 由于鲨鱼皮肤表面存在少量黏液, 从仿生学的角度, 文章最后综述并展望了通过局部应用 疏水性材料来改变沟槽附近流场属性, 从而达到更大程度上减小阻力的目标.      

海洋减阻技术的研究现状

船舶、舰艇、鱼雷等海中航行体在海洋经济建设和海洋国防中发挥着重要作用.海中航行体的运行速度和能量消耗率是评价其性能的重要指标.利用减阻技术降低航行体在海水中的行驶阻力具有重要意义.按减阻机理对现今重要的海洋减阻技术进行分类和总结,并详细介绍其研究现状和减阻机理,主要包括仿生减阻、微气泡减阻和疏水/超疏水涂层减阻.通过对现有海洋减阻技术的总结和分析,展望了其今后的研究重点.     

水滴撞击黄铜基超疏水表面的破碎行为研究

采用高速摄像技术,在自制的超疏水黄铜表面上开展水滴撞击后破碎行为的实验,并对水滴破碎现象力学机理、发生破碎现象的条件和破碎过程中直径铺展规律进行了分析.测试结果表明:一定速度下不同直径的水滴均会发生破碎,直径越大的水滴破碎速度越低.从能量守恒角度,对上述现象过程进行了定性的力学解释并推导出水滴在超疏水表面上发生破碎现象的临界速度的计算公式,该公式预测值与实验值的偏差小于10%.     

材料表面润湿性调控及减阻性能研究

设计合成不同结构的自组装分子,使其可以在不改变表面粗糙度的情况下改变表面的润湿性能;利用低表面能涂层修饰粗糙表面得到超疏水表面.采用流变仪和水洞试验分别在层流和湍流流动状态下测试了具有不同润湿行为的亲、疏水材料的减阻性能.结果表明:在层流流动状态,随着不同表面的接触角从13°增加到45°、113°和161°,减阻率随之从1.8%增大到7.2%、7.9%和14.9%;在湍流流动状态下,自组装涂层接触角为13°、45°和113°的三组模型的平均减阻率为0.8%、1.9%和6.8%,最大减阻率分别可达3.6%、9.2%和18.0%.两种流体流动中均存在材料表面水接触角增加减阻效率增大的行为.     

凹坑形表面在空气介质中的减阻性能研究

采用标准k-ε湍流模型对一种新型的非光滑表面———凹坑形表面在空气介质中不同条件下的流动进行了数值模拟,可以得到光滑表面和半径0.4mm的半球状凹坑分布的非光滑表面在4~48m/s范围内的来流速度下的阻力系数.计算结果表明该凹坑形非光滑表面在这个速度区间内均能产生一定的减阻效果.在速度为24m/s时,它的减阻率达到最大的7.2%.最后本文对该非光滑表面的减阻机理进行了研究.     

水下航行体通气超空泡形态实验研究

在水洞中对航行体模型的通气超空泡形态及其影响因素进行了系列实验研究。在低速的情况下通过向空化器下游通入空气生成了超空泡。通过改变水洞速度、压力，通气参数，模型外形和状态产生了多种超空泡外形并研究了超空泡外形与空化器、空化数和通气参数之间的关系以及影响超空泡形状的因素，得出了有益的结论。对于下一步的研究工作具有指导意义，对于航行体超空泡外形控制技术的研究具有重要参考价值。     

水下条纹沟槽表面近壁区流场的数值分析

近年来对于水下条纹沟槽表面减阻的研究多集中在试验方面,理论分析和数值计算进行的却不多。而由于受实验条件的限制,条纹沟槽表面减阻的微观机理也一直没有搞清楚。本文正是通过理论方面的分析和计算来进一步揭示条纹沟槽表面的微观流场。首先基于“第二涡群”论对条纹沟槽表面流场的减阻特性进行了理论分析,阐述了其减阻机理;在此基础上采用B．L两层代数模型,建立了条纹沟槽表面水下流场的简化数学模型;并利用有限差分法对近壁区流场进行了数值计算．首次通过理论计算的方法获得了条纹沟槽表面水下微观流场的速度分布;为以后进一步从理论和实验上研究条纹沟槽减阻特性奠定了重要的基础。     

椭球液滴撞击超疏水表面反弹过程数值分析

液滴在自由落体或受外力作用时常发生椭球形变,对其撞击超疏水壁面的运动形态及形成二次液滴有较大影响.本文假定具有不同轴向半径比值(AR)的椭球形液滴,采用耦合水平集-体积分数(CLSVOF)方法对椭球形液滴撞击超疏水平壁面进行数值模拟研究,对椭球形液滴撞击超疏水平壁面反弹过程运动形态和AR对二次液滴形成的影响进行分析.研...     

超疏水小球低速入水空泡研究

物体入水问题是一类复杂的流固耦合问题,具有广泛的工程应用背景.物体在跨越自由液面入水的过程中,在一定的条件下,会向水中卷入空气形成空泡,空泡的运动还可能形成指向物体的射流,从而对物体的受力及其运动过程产生影响.超疏水表面能够在物体入水过程中形成多尺度流固耦合作用,进而影响物体的运动和宏观流动现象.而对于小尺度的小球低速入水问题,表面和界面力往往起主导作用.为了在更广的参数空间获得超疏水小球入水空泡类型和小球的运动特性,采用高速摄影实验方法,研究了半径0.175$\sim$10mm的超疏水小球低速入水及空泡动力学行为,获得了小球漂浮振荡、准静态空泡、浅闭合空泡、深闭合空泡和表面闭合空泡5种类型的动力学行为,探讨了这些运动行为与韦伯数We}和邦德数Bo之间的关系,并推导了小球漂浮振荡与下沉现象的无量纲关系.研究结果表明:超疏水小球的入水及空泡动力学行为主要与韦伯数We和邦德数Bo有关.在邦德数Bo $<$ $O$ (10$^{-1})$范围内,表面张力对流动的影响显著,随着韦伯数We}的增大,小球入水及空泡动力学行为依次经历漂浮振荡、准静态闭合、浅闭合、深闭合和表面闭合;在邦德数$O$ (10$^{-1})$<$ Bo} $<$O(1)$范围内,漂浮振荡现象不再发生;当邦德数$Bo>O(1)$后,浅闭合现象也不再发生;小球漂浮振荡与下沉现象的临界关系可以用相似律关系描述.      

减阻用表面活性剂溶液分子动力学模拟研究进展

减阻用表面活性剂在能源动力及化工领域有着广泛应用,在管道流体中加入少量表面活性剂可以使流动阻力大大降低从而节约能源,对于表面活性剂减阻机理的讨论也是近些年学者关注的热点之一.本文不仅对课题组前些年在表面活性剂溶液流变性、湍流减阻、减阻与传热的相关性、布朗动力学模拟方面的工作进行了概述,而且详细介绍了近三年来在表面活性剂粗粒化分子动力学模拟方面的研究成果.粗粒化模拟是近年来发展起来的方法,目前已广泛应用于化学、生物等诸多领域.在粗粒化分子动力学模拟方面的工作包括:表面活性剂溶液的流变性能与微观结构、表面活性剂溶液湍流减阻机理研究、湍流减阻失效分析三个部分.通过对表面活性剂溶液分子动力学模拟研究进展的回顾,作者认为,利用粗粒化分子动力学模拟方法可以合理揭示表面活性剂胶束的结构与流变性的对应关系,对胶束的断裂与再连接能力进行多维度的评价,如胶束的拉伸能、断裂能、最大拉伸长度、结合能、$\zeta$电势、疏水基驱动作用等方面.并对"黏弹说"减阻机理进行分子模拟层面的验证,对实际应用中的湍流减阻失效原理进行初步分析.最后,根据对近几年分子动力学模拟工作的总结,展望了未来粗粒化分子动力学模拟在表面活性剂方面的研究方向.      

水下航行器通气超空泡生成与维持实验研究

超高速水下航行器通气系统工作时需采用多级通气流量.为获得通气流量的设计依据,在西北工业大学高速水洞进行了超空泡生成和维持、通气流量突变对空泡形态影响的系列实验研究.实验结果表明:生成超空泡的通气流量与维持相应空泡形态的通气流量相差很大,就本次研究所选的模型而言,前者是后者的2.616倍左右;通气超空泡生成速度与航行器速...     

通气法控制超空泡流动的实验研究

在高速水洞中运用人工通气方法进行了航行体模型超空泡形态特性的系列实验研究.获得了不同通气流量、不同空化数和不同弗鲁德数下的空泡形态,建立了以弗鲁德数为参数的空泡几何特征参数与空化数的对应关系、空化数与通气流量系数之间的对应关系.验证了空化数是决定空泡尺度的主要无因次参数,通过改变通气流量可以有效地调控空化数,进而达到控制空泡形态的目的.文中同时给出了通气流量系数的实验曲线拟合公式,并与国外的相关实验和公式进行了比较,两者基本一致.所得结论对进一步的水下超高速航行体空泡形态控制技术研究具有参考价值.     

液滴撞击超疏水壁面反弹及破碎行为研究

液滴撞击壁面时,壁面亲水性对液滴撞击壁面后的变化历程具有重要的影响。利用相界面追踪的复合Level Set-VOF方法对液滴撞击超疏水壁面的运动进行了研究。研究结果表明,撞击速度较小时,液滴撞壁后发生反弹;撞击速度较大时,液滴撞壁后会发生破碎现象;初始粒径的增大和表面张力的减小,有利于液滴撞壁后产生铺展破碎现象;撞击角度对撞壁后的液滴行为具有较大的影响。通过数值模拟,给出了一定条件下液滴垂直及倾斜撞击超疏水壁面反弹及破碎的临界条件。