采用VOF模型和Realizable k-ε模型對具有縱向和橫向微結(jié)構(gòu)的超疏水微通道在湍流下的流場進行了三維數(shù)值仿真,分析結(jié)構(gòu)參數(shù)對超疏水表面阻力特性的影響。研究表明:含縱向微槽的超疏水微通道具有顯著的減阻作用;隨自由剪切面積比和微通道寬度增加,壓降比提高,平均摩擦因子降低,減阻效果顯著;隨微通道高度增加,壓降比減小,平均摩擦因子增大;壓降比和平均摩擦因子受微槽深度影響不明顯;具有橫向微槽的超疏水微通道則增阻,選取合適的微槽方向是控制微通道減阻效果的的重要方面。 

【文章來源】：系統(tǒng)仿真學(xué)報. 2019,31(10)北大核心

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縱向微槽超疏水微通道模型示意圖Fig.1Theschematicofmodelofsuperhydrophobic

第31卷第10期系統(tǒng)仿真學(xué)報Vol.31No.102019年10月JournalofSystemSimulationOct.,2019http:∥www.china-simulation.com2140角度考慮，文中選用404萬網(wǎng)格數(shù)。圖2y-z截面網(wǎng)格Fig.2Thegridsofy-zsection表1網(wǎng)格無關(guān)性驗證Tab.1Thegridindependentverification網(wǎng)格數(shù)/萬314344374404434壓降偏差/%2.561.531.330.320控制方程為連續(xù)方程和雷諾時均方程：0iiux(1)2(-)iijiijupuuutxx(2)在計算域中，yoz平面上沿x方向分別為速度入口和壓力出口，且出口壓力恒定為大氣壓。由于Realizablek-ε湍流模型在求解包含有射流和混合流的自由流動、管道內(nèi)流動、邊界層流動等方面具有較高精度，故湍流模型采用Realizablek-ε模型，壁面附近采用標準壁面函數(shù)法[23]。速度和壓力采用SIMPLE耦合，動量方程和湍流粘性系數(shù)等采用二階迎風格式離散，收斂條件為各參數(shù)的殘差低于10–6。由于超疏水表面微觀結(jié)構(gòu)處氣-液界面的曲率十分微小[7]，假定氣-液界面為一平面。對于兩相流的求解選擇VOF模型，初始化時，假定流場已達到穩(wěn)態(tài)，微槽內(nèi)為空氣，其余區(qū)域為水。在計算單元的每個控制體積內(nèi)，所有相和為1，如果空氣和水的體積分數(shù)定義為a和w，則a=1指該控制體積中充滿空氣；a=0指該控制體積中充滿水；0<a<1指該控制體積中空氣占有a，水占有1a。在VOF模型中，跟蹤相之間的界面是通過求解相的體積分數(shù)的連續(xù)方程來完成的。對于水相ww+=0tν(3)式中：w為水相的體積分數(shù)。每一控制體積內(nèi)的分相決定著輸運方程中的屬性。在氣液兩相流?

第31卷第10期Vol.31No.102019年10月李春曦,等:湍流狀態(tài)下超疏水微通道阻力特性仿真研究Oct.,2019http:∥www.china-simulation.com2141表面微通道(圖4(a))的流場存在相似的速度梯度。圖3f隨雷諾數(shù)Re的變化Fig.3fasafunctionofRe(a)光滑表面微通道在yoz平面速度分布(b)超疏水表面微通道在yoz平面速度分布圖4光滑表面與超疏水表面微通道中的速度分布Fig.4Velocitydistributionofsmoothmicrochannelandsuperhydrophobicmicrochannel圖5(a)為超疏水表面的氣-液界面和固-液界面速度分布。超疏水表面近壁面上的流動明顯分為兩類：微槽處的滑移流動和微脊上的無滑移流動[20]。流動在這兩種界面上有顯著差別，微脊上流體不滿足滑移邊界要求，固-液界面上的速度為零；而微槽處氣-液界面速度為一有限值，即存在滑移速度，且速度分布呈近似的對稱性。正是由于滑移流動的存在，使流體在流動法向上減小了速度梯度，從而抑制了超疏水表面的湍流脈動，降低了湍流強度和湍動能的耗散，在一定程度上減小了流動阻力，進而實現(xiàn)減阻。(a)近壁面速度分布(b)近壁面剪切應(yīng)力分布圖5壁面處的相應(yīng)量分布Fig.5Correspondingdistributionnearthewall

【參考文獻】：
期刊論文
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[2]仿生多尺度超浸潤界面材料[J]. 王鵬偉,劉明杰,江雷.  物理學(xué)報. 2016(18)
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[5]微結(jié)構(gòu)超疏水表面減阻特性數(shù)值研究[J]. 宋保維,郭云鶴,胡海豹,宋東.  計算物理. 2013(01)
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碩士論文
[1]微納二級結(jié)構(gòu)超疏水表面湍流減阻機理的TRPIV實驗研究[D]. 成璐.天津大學(xué) 2014



本文編號：3068110