表面张力对疏水微结构表面减阻的影响

通过构造具有棋盘状微结构的疏水表面,考虑表面张力的影响,利用定常与非定常结合的数值模拟方法,研究了疏水表面在湍流状态下的减阻特性以及微结构内气体封存的效果,其中Re=3000—30000.在低雷诺数下,疏水表面微结构内气体封存状态良好,减阻率最高约为30%;随着雷诺数的增大,压差阻力增大,减阻率有下降趋势.当来流速度过大时,水会大量进入微结构,疏水表面的减阻率变化剧烈,且已经不再减阻.结果表明,表面张力削弱了壁面切应力的影响,使得低雷诺数下微结构内气体能够有效封存,进而减小壁面阻力.     

疏水表面减阻环带实验研究

针对疏水功能材料在流动减阻方面的应用, 选取典型不同粗糙度、不同疏水性的功能涂层表面, 通过新型环带实验研究了其阻力特性, 并获得了相应的扭矩和减阻率曲线. 实验采用测量圆盘带动环带旋转时的扭矩的方法间接计算环带表面所受的摩阻, 突破了传统微管道实验在尺度上的限制, 避免了水洞实验中影响因素过多的弊端, 对疏水材料的宏观应用有着重要意义. 实验证实了在宏观尺度下疏水涂层在低雷诺数时的减阻作用; 但在高雷诺数时, 减阻作用减弱, 甚至部分涂层有增阻作用, 而压差阻力的迅速增大是造成增阻的主要原因. 通过对比分析认为: 低雷诺数时, 疏水特性对于减阻效果影响更大; 而高雷诺数时, 粗糙度起更大作用, 甚至可能起到增阻的反效果. 关键词： 疏水表面 环带实验 粗糙度 减阻     

疏水表面减阻的格子Boltzmann方法数值模拟

采用格子Boltzmann方法的多松弛模型和Shan-Chen多相流模型对雷诺数为100的疏水表面方柱绕流进行了数值模拟, 分析了疏水表面接触角和来流含气率对方柱绕流流场的影响. 研究结果表明: 疏水表面接触角一定时, 来流含气率在一定范围内, 疏水表面具有减阻的能力, 超出这一范围时会出现阻力系数、升力系数升高的现象, 同时在方柱近壁面处伴随涡的形成产生了气团脱落; 当来流含气率处于适当水平时, 接触角越大, 绕流物体近壁面处含气率越稳定, 减阻效果越明显. 分析发现疏水表面减阻的关键在于保证近壁面处气层的稳定性, 此时接触角越大, 减阻效果越明显. 本文从含气率角度出发分析疏水表面的减阻现象, 为进一步探索疏水表面减阻机理提出了新的思路.     

疏水表面滑移流动及减阻特性的格子Boltzmann方法模拟

采用格子Boltzmann方法研究了固体壁面对流体的作用强度与其润湿性的关系,在此基础上进一步模拟了疏水表面微通道内的流体流动,获得了润湿性对疏水表面滑移流动及减阻特性的影响规律,证实了疏水表面表观滑移的存在性并揭示了其产生机理.结果表明,疏水性作用在疏水表面的近壁区诱导了一个低密度层,而表观滑移则发生在低密度层上.表观滑移是疏水表面具有减阻作用的直接原因,减阻效果随滑移长度的增大而增大.对于特定的流体系统,滑移长度是疏水表面的固有属性,仅是壁面润湿性的单一函数,而与流动本身的性质无关.     

非光滑表面湍流减阻的数值模拟研究

本文采用CFD数值模拟的方法对二维光滑平板阻力进行计算,与经典理论公式比较,以验证CFD方法的可靠性.从已有的肋条减限的实验结论出发,对带有肋条结构的平板与光滑平板的阻力进行CFD计算,经对比带肋条平板的阻力减小18.39%.分析数值模拟结果的速度场.涡量场等,初步得到肋条结构减阻的机理.肋条顶部产生的两个方向相反的旋...     

弹跳液滴与超疏水表面的换热特性研究

了解弹跳液滴在固体表面的动力学和传热特性对于促进自清洁、防冰和热管理等领域的发展是至关重要的。本文通过数值模拟的手段研究了冷液滴撞击热超疏水表面的过程。本文中提出了一种混合相场格子玻尔兹曼模型来描述液滴动力学和液固传热过程,并通过单个液滴在固体表面的铺展过程和定量冷却效率验证了所提出模型的正确性。随后对单个液滴碰撞超疏水表面的动力学行为和换热过程进行了模拟,结果表明热流密度不仅与液固接触面积有关,还与液滴与基体之间的温差有关。此外增大液滴的韦伯数对换热过程有促进作用,而增大液滴的雷诺数反而会抑制换热。     

基于微空泡效应的疏水性展向微沟槽表面水下减阻研究

超疏水表面在水下的减阻效果随着来流冲刷时间的增加会逐渐减小甚至会出现粗糙增阻的现象,而这种现象的本质在于超疏水表面裂隙中驻留的气相结构在来流的作用下会不断地从表面脱离.针对超疏水表面的裂隙中驻留的气相结构在水下不稳定的情况.本文通过对表面微结构的设计,利用疏水性展向微沟槽结构使驻留在沟槽内部的气相结构被相邻沟槽间的脊状结构挡住,从而不能轻易的被水流冲刷掉.实验结果表明该表面不仅能使气相结构在表面微结构内稳定驻留,而且基于稳定驻留在表面结构内的气相结构,在来流作用下会有新的气相结构生成.虽然表面上不稳定的气相结构会随流速的增加而加剧地脱离表面,但是可再生的气相结构能够补充由于冲刷从表面脱离的气体.最终在固/液界面间构建相对稳定的气模.通过粒子图像测速系统(PIV)对近壁面流场进行分析,可得到大于15%的速度滑移量.     

超疏水-疏水组合表面蒸汽冷凝的实验研究

液滴的快速脱落和移除对蒸汽滴状冷凝传热具有重要的影响,超疏水表面由丁二具有接触角大,接触角滞后小的优点而用于驱动冷凝液滴的自发运动,但是,常压蒸汽在超疏水表面冷凝时,液滴的润湿形态还没有定论。本文设计了超疏水疏水条纹间隔排列的超疏水一疏水组合表面,研究了常压蒸汽在组合表面上的冷凝过程,观测了液滴的运动特性,测量了超疏水一疏水组合表面上常压蒸汽冷凝传热性能。实验结果显示疏水区液滴在表面张力差的作用下从疏水区向超疏水区自发迁移,说明超疏水区液滴处于Wenzel润湿形态,超疏水一疏水组合表面蒸汽冷凝传热性能比完全超疏水和完全疏水表面传热性能的面积加权平均值大。说明液滴的自发迁移运动强化了疏水区的传热性能。     

超疏水纳米结构表面池沸腾特性

本文通过采用物理气相沉积法于TiO2纳米管阵列表面修饰一层聚四氟乙烯(PTFE)纳米颗粒,得到超疏水表面,并研究此超疏水纳米结构表面的池沸腾特性.研究表明,超疏水纳米结构表面沸腾特性类似于膜沸腾,沸腾工质难以浸润该表面,其沸腾传热系数及临界热流密度均较低.分析表明,固液处于Cassie-Baxter接触状态,纳米结构表...     

微纳跨尺度结构ZnO表面的壁面减阻特性

通过化学气相沉积方法获得了具有良好超疏水特性的微纳跨尺度结构ZnO表面, 其表面接触角为150.7°.扫描电镜(SEM)的测试结果表明, 样品结构为ZnO微米柱阵列和在上面交织生长的高密度ZnO针状纳米线的复合结构.通过流变仪, 采用分步流动模式对样品表面在不同的剪切速率和不同间距的情况下进行测量, 得到了扭矩与剪切速率之间的关系.进一步选择覆盖硅烷的光滑Si表面作为对比样品, 选用40％的甘油作为试验液体, 当剪切速率接近20 s^-1时, 测试的表面滑移长度为46.8 μm.这表明微纳跨尺度结构的ZnO表面可有效增加流体减阻特性, 有利于制备具有减阻效应的微器件.     

槽道湍流的展向振荡电磁力壁面减阻

采用直接数值模拟方法,对槽道湍流的展向振荡电磁力的减阻效果和减阻机理进行了研究,讨论了电磁力强度和振荡频率对湍流猝发事件以及壁面减阻率的影响.结果表明,电磁力强度或振荡频率变化时,湍流猝发频率和猝发强度的变化趋势是相反的,所以存在最优参数使得减阻效果最好.等价壁面展向速度可以很好地描述电磁力强度和振荡频率的变化对减阻效果的综合效应。     

具有微型沟槽结构旋转圆盘减阻的实验研究

建立了开式旋转圆盘系统减阻实验平台,对圆盘螺线沟槽减阻进行实验研究,并可以结合数值研究手段对微型沟槽减阻的机理进行研究。实验结果表明圆盘开槽面积为7.4%时,螺线微型沟槽使得旋转圆盘的最大减阻率达6.1%,V型沟槽两侧的压力差所产生的正扭矩是其减阻的主要原因。沟槽还能起到提高圆盘内径与外径处的静压差的效果。研究结果还表明,采用和平板减阻相同的无量纲尺寸的沟槽会引起圆盘表面的剪应力较大增加。     

Strengthened opposition control for skin-friction reduction in wall-bounded turbulent flows

An opposition control scheme with strengthened control input is proposed and tested in turbulent channel flows at friction Reynolds number Re_τ = 180 by direct numerical simulations. When the detection plane is located at less than 20 wall units, the drag reduction rate can be greatly enhanced by increasing the control amplitude parameter. The maximum drag reduction rate achieved in the present study is around 33%, which is much higher than the best value of 25% reported in literature. The strengthened control can be more efficient to attain a given drag reduction rate. Based on the total shear stress at the virtual wall established between the real wall and the detection plane by the control, a new friction velocity is proposed and the corresponding coordinate transform is made. Scaled by the proposed friction velocity, the wall-normal velocity fluctuation and the Reynolds shear stress of the controlled flows are collapsed well with those of the uncontrolled flow in the new coordinate. Based on the similarity, a relation between drag reduction rate and the effectiveness of the virtual wall is deduced, which disclosed that the elevation and residual Reynolds shear stress at the virtual wall are the key parameters to determine the drag reduction rate. The conclusion are also validated at Re_τ = 395 and 590. The decrease of the drag reduction rate with the increase of the Reynolds number is attributed to the enhanced residual Reynolds shear stress at the virtual wall.     

升力系数不变时跨音速机翼阻力优化设计

基于共轭方程的优化设计理论,应用三维欧拉方程进行了升力系数不变时跨音速机翼阻力优化设计研究,根据给定的目标函数推导了在物理空间上表述的共轭方程及边界条件,研究了共轭方程的数值求解方法及目标函数对设计变量的敏感性导数求解问题,发展了一种跨音速机翼阻力优化设计方法,应用该设计方法进行了跨音速机翼阻力优化设计研究,优化后机翼表面的激波强度减弱很多,有效减少了波阻.     

Controlled Formation of Patchy Anisometric Fumed Silica Supraparticles in Droplets on Bent Superhydrophobic Surfaces

This article presents a study on the formation of anisometric, ellipsoidal supraparticles by evaporation‐induced self‐assembly from multicomponent colloidal dispersion droplets deposited on a superhydrophobic surface. Performing the formation process on bent surface substrates grants precise control on the shape and spatial orientation of the final dried supraparticles. Due to the V‐shaped surfaces providing interfacial blockage, anisotropic evaporation rates occur with respect to the direction of the bending channel. This proportionally leads to inhomogeneous accumulation of fumed silica (FS), used as structure guiding component. Thus, upon the increase of FS‐particle interaction via ionic strength (NaCl), this so‐formed shell provides enough anisotropic stiffness resulting in predictable droplet deformation with the elongation orientation being perpendicular to the bending axis. The anisotropic evaporation rates were monitored and quantified using an established, empiric kinetic model and taking into account surface geometry. Employing this reliable control of elongation direction and using additional Fe₃O₄@SiO₂ core–shell nanoparticles, anisometric magnetic Janus supraparticles with defined patch position were prepared, which are not accessible on flat surfaces. The results can find application in the controlled, easy to scale up, nanofabrication process of patchy anisometric supraparticles.     

DLR-F6翼身组合体阻力计算

采用"亚跨超CFD软件平台"(TRIP2.0)数值模拟DLR-F6翼身组合体构型,采用的多块对接网格、测压和测力的试验结果均来自美国AIAA阻力计算小组,对比计算结果采用CFL3D的结果.详细研究网格密度、湍流模型对DLR-F6翼身组合体构型的总体气动特性和压力分布的影响,计算结果与相应的试验结果较一致.采用SST两方程模型得到网格收敛结果;不同的湍流模型对压差阻力影响较小,对摩擦阻力影响较大;不同的网格密度和湍流模型对压力分布影响较小.     

Drag reduction in turbulent channel flow using bidirectional wavy Lorentz force

Turbulent control and drag reduction in a channel flow via a bidirectional traveling wave induced by spanwise oscillating Lorentz force have been investigated in the paper. The results based on the direct numerical simulation (DNS) indicate that the bidirectional wavy Lorentz force with appropriate control parameters can result in a regular decline of near-wall streaks and vortex structures with respect to the flow direction, leading to the effective suppression of turbulence generation and significant reduction in skin-friction drag. In addition, experiments are carried out in a water tunnel via electro-magnetic (EM) actuators designed to produce the bidirectional traveling wave excitation as described in calculations. As a result, the actual substantial drag reduction is realized successfully in these experiments.     

高分子材料添加物对液滴撞击超疏水壁面后奇异射流行为的抑制机制研究

研究了纯水液滴和黄原胶水溶液液滴撞击超疏水壁面过程中的奇异射流行为生成机制.基于高速摄像技术搭建可视化实验平台,发现纯水液滴在中等We数范围内撞击壁面过程中出现奇异射流行为.同时,在特定的We数范围内,奇异射流行为伴随着气泡卷吸现象发生.研究结果表明,在纯水中添加微量的高分子材料黄原胶可以实现对液滴撞击壁面后奇异射流行...