利用壓力-流量測量和流動(dòng)顯示方法研究了6種具有不同微納結(jié)構(gòu)尺寸的超疏水表面的減阻效果以及表面微結(jié)構(gòu)形狀對氣-水界面穩(wěn)定性的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:設(shè)計(jì)的各種超疏水表面在層流和湍流下均具有一定的減阻效果;在相同的固體面積分?jǐn)?shù)情況下,微結(jié)構(gòu)間距越小,減阻效果越好;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)了最大減阻率(38.6±4.5)%。流動(dòng)顯示觀測發(fā)現(xiàn):減阻率與微結(jié)構(gòu)的層級(jí)、尺寸、形貌及槽道流態(tài)有關(guān),它們均對氣-水界面穩(wěn)定性有一定的影響,揭示了復(fù)合微納結(jié)構(gòu)之所以能夠顯著提升減阻效果,是由于添加納米二級(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。此外,對于具有雙內(nèi)凹(傘狀)微結(jié)構(gòu)表面的微槽道,即使表面為親水材料,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。

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【部分圖文】：

圖1實(shí)驗(yàn)槽道示意圖

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450mm，截面形狀為矩形，展向?qū)挾葹?0mm，高度為2mm，對應(yīng)等效水力直徑為DH=4A/P=3.33mm，其中A為槽道截面積，P為槽道截面周長。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....

圖2實(shí)驗(yàn)中超疏水表面上方的氣膜狀態(tài)

此外，為觀測超疏水表面氣膜的狀態(tài)，將超疏水表面設(shè)置在槽道測量段的下表面，槽道測量段上表面為透明觀察窗，可在實(shí)驗(yàn)中實(shí)時(shí)觀測表面氣膜情況。超疏水表面上方的氣膜可通過氣-水界面不同的反射率進(jìn)行觀測，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，而沒有氣膜....

圖3阻力系數(shù)f隨雷諾數(shù)Re的分布

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。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�？梢钥闯觯胀ū砻娴膶�(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。空心的標(biāo)記點(diǎn)表示超疏水表面的結(jié)果，其中空心圓圈....

圖4微槽道內(nèi)3類微脊結(jié)構(gòu)

為了研究表面微結(jié)構(gòu)形狀對流動(dòng)的影響，制作了不同形狀的微脊結(jié)構(gòu)。通過硅微刻蝕，在硅片上刻蝕了60μm寬、50μm深、28000μm長的微槽，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....

本文編號(hào)：3991502