本文關(guān)鍵詞：超疏水表面界面潤(rùn)濕行為與減阻特性研究　出處：《西北工業(yè)大學(xué)》2016年博士論文　論文類(lèi)型：學(xué)位論文

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【摘要】：近十多年,超疏水表面減阻受到許多學(xué)者關(guān)注,是當(dāng)前減阻研究熱點(diǎn)。該技術(shù)被認(rèn)為經(jīng)濟(jì)、簡(jiǎn)便、可行性強(qiáng),且兼具防污功能,能廣泛應(yīng)用于海洋工程和其它高技術(shù)領(lǐng)域。由于獨(dú)特的潤(rùn)濕性,超疏水表面在水下能封存一層氣膜,使得其近壁面流場(chǎng)呈現(xiàn)出多相流、跨尺度流動(dòng)等特點(diǎn),在進(jìn)行理論分析和試驗(yàn)測(cè)試過(guò)程中,必須充分考慮壁面潤(rùn)濕性和微形貌等眾多因素的影響,因此對(duì)超疏水表面減阻機(jī)理的研究提出了新的要求。論文采用試驗(yàn)和數(shù)值模擬方法,對(duì)超疏水表面界面潤(rùn)濕行為和減阻特性進(jìn)行了深入地研究,通過(guò)對(duì)超疏水模型在不同流態(tài)下的阻力、近壁面流場(chǎng)、氣液界面滑移等的試驗(yàn)測(cè)試與理論分析,揭示了不同微結(jié)構(gòu)對(duì)超疏水表面減阻和滑移的影響規(guī)律。所取得的主要研究成果和創(chuàng)新有:(1)基于光刻和模板轉(zhuǎn)印原理制備出具有規(guī)則微結(jié)構(gòu)的PDMS超疏水薄膜,同時(shí)提出兩種潤(rùn)濕性和粗糙度可調(diào)的超疏水表面制備方法:Teflon表面粗糙化,低表面能涂層添加微顆粒。隨后,測(cè)試給出典型微結(jié)構(gòu)超疏水表面上液滴接觸角變化規(guī)律,并揭示了微結(jié)構(gòu)對(duì)靜態(tài)液滴各向異性的影響機(jī)制。通過(guò)設(shè)計(jì)、控制超疏水表面各向潤(rùn)濕異性,創(chuàng)新性地實(shí)現(xiàn)了水滴收縮過(guò)程的操控。(2)通過(guò)數(shù)值模擬,系統(tǒng)研究了順流向溝槽、垂直流向溝槽、微凸柱和微凹坑等四種典型微結(jié)構(gòu)超疏水表面在不同流態(tài)下的流場(chǎng)特性,從速度分布、剪應(yīng)力特性、滑移速度、近壁面渦量等方面分析了其流場(chǎng)結(jié)構(gòu),給出了微結(jié)構(gòu)類(lèi)型、尺寸以及自由剪切面積比等參數(shù)對(duì)超疏水表面滑移長(zhǎng)度、滑移速度、減阻量的影響規(guī)律。(3)通過(guò)理論分析和試驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)分析了層流狀態(tài)下超疏水表面在平板間和外部擾流兩種流動(dòng)狀態(tài)下的減阻規(guī)律。設(shè)計(jì)搭建起Teflon超疏水表面微通道裝置和小尺度模型落體試驗(yàn)裝置,測(cè)試給出不同流速下微結(jié)構(gòu)尺寸、形狀及模型尺度對(duì)滑移長(zhǎng)度和減阻量的影響規(guī)律,并解釋了層流狀態(tài)下超疏水表面減阻效果隨模型尺度增大而迅速衰減的原因。(4)搭建起基于連續(xù)激光和高速攝像機(jī)的專(zhuān)用PIV系統(tǒng),通過(guò)熒光粒子和濾光片的組合使用,有效解決了常規(guī)PIV近壁區(qū)測(cè)試中存在的反光干擾難題。通過(guò)對(duì)超疏水平板邊界層流場(chǎng)測(cè)試,發(fā)現(xiàn)滑移速度沿流向位置的后移而減小,但滑移長(zhǎng)度變化并不明顯,這與理論分析和落體試驗(yàn)結(jié)果相一致。(5)基于連續(xù)激光器、大景深顯微鏡頭和高速攝像機(jī)改進(jìn)了現(xiàn)有μ-PIV系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了毫米尺度氣液界面上滑移速度的直接測(cè)量。通過(guò)對(duì)不同溝槽上氣液界面處滑移速度的直接測(cè)量,則發(fā)現(xiàn)順流向溝槽上滑移速度遠(yuǎn)大于垂直流向溝槽,同時(shí)還意外觀測(cè)到在矩形氣液界面上存在局部負(fù)滑移現(xiàn)象。
[Abstract]:In recent ten years, the drag reduction of superhydrophobic surface has been concerned by many scholars, which is a hot spot in drag reduction. This technology is considered to be economical, simple, feasible and has anti-fouling function. It can be widely used in marine engineering and other high-tech fields. Because of its unique wettability, the superhydrophobic surface can seal a layer of gas film under water, which makes the flow field near the wall appear multi-phase flow, cross-scale flow and so on. In the course of theoretical analysis and test, the influence of many factors such as wall wettability and micro-morphology must be fully considered. Therefore, new requirements are put forward for the study of drag reduction mechanism of superhydrophobic surface. The wetting behavior and drag reduction characteristics of superhydrophobic surface interface are studied in this paper by means of experiments and numerical simulation. The resistance of the superhydrophobic model under different flow states, the flow field near the wall, and the slippage of the gas-liquid interface are tested and analyzed theoretically. The effects of different microstructures on drag reduction and slip on superhydrophobic surface are revealed. The main research results and innovations obtained are as follows: 1). Based on photolithography and template transfer principle, PDMS ultrahydrophobic films with regular microstructures were prepared. At the same time, two kinds of super-hydrophobic surface preparation methods with adjustable wettability and roughness were proposed. The surface of the superhydrophobic surface was roughened with low surface energy coating and microparticles were added. The change of contact angle of droplet on superhydrophobic surface of typical microstructures is given, and the mechanism of influence of microstructures on the anisotropy of static droplets is revealed. Through the design, the wettability of superhydrophobic surfaces is controlled. Innovatively realized the control of droplet contraction process. (2) through numerical simulation, we systematically studied the trench in the direction of flow and the trench in vertical direction. The flow field characteristics of superhydrophobic surfaces of four typical microstructures, such as microconvex columns and micropits, under different flow states, are analyzed in terms of velocity distribution, shear stress characteristics, slip velocity and vorticity near the wall. The parameters such as microstructure type, size and free shear area ratio on the slip length and velocity of superhydrophobic surface are given. Effect of drag reduction. The drag reduction law of superhydrophobic surface under laminar flow and external disturbance was analyzed by theoretical analysis and experimental verification. The Teflon superhydrophobic surface microchannel device was designed and constructed. Small-scale model falling test device. The effects of the size, shape and model size of the microstructures on the slip length and drag reduction are given. The reason why the drag reduction effect of superhydrophobic surface decreases rapidly with the increase of model scale in laminar flow is explained. The special PIV system based on continuous laser and high speed camera is built. Through the combination of fluorescent particles and filters, the problem of reflective interference in the conventional PIV near wall measurement is solved effectively, and the boundary laminar flow field of superhydrophobic plate is measured. It is found that the slip velocity decreases after moving backward along the flow direction, but the slip length does not change obviously, which is consistent with the theoretical analysis and the falling body test results. The large depth of field microscope head and high speed camera have improved the existing 渭 -PIV system. The direct measurement of slippage velocity on gas-liquid interface with millimeter scale is realized. Through the direct measurement of slippage velocity at gas-liquid interface on different grooves, it is found that the slip velocity on the trench is much higher than that on the vertical trench. At the same time, the phenomenon of local negative slip on the rectangular gas-liquid interface was observed accidentally.
【學(xué)位授予單位】：西北工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類(lèi)號(hào)】：U661.311;P75

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本文編號(hào)：1425605