超疏水表面上方湍流边界层中涡结构的演化

摘要

从科学家首次研究荷叶的超疏水性质开始,超疏水表面逐渐走入了实验室[1-3].作为一种被动减阻方式,超疏水表面减阻具有无需能量输入和系统相对简单的优点,且减阻性能优异,往往大于15％以上.众所周知,湍流边界层中各统计量和涡分布对其壁面切应力影响重大[4-8],因此研究湍流边界层流动特征是探究表面湍流减阻研究的必经之路.现有研究发现[9-14],超疏水表面可以减弱其上方流场的雷诺应力,并抑制涡结构. 本文基于PIV实验数据,对超疏水表面上方湍流边界层中涡结构的演化进行了深入的分析.实验采用粒子图像测速(PIV)的方法在相同水槽中对普通表面和超疏水表面上方湍流边界层流场进行测量,得到两表面上方的瞬时速度场,示意图如图1所示.实验在雷诺数Reθ=990下测量了两表面展向中心位置的流向-法向平面和五个不同流向-展向平面的流场信息(y=3mm,6mm,9mm,17mm,19mm).实验过程中超疏水表面上始终保持有一层气膜. 实验中的超疏水表面为不规则微纳二级结构表面,采用表面喷涂的办法进行制备,详细制备方法可参照作者实验室以前的研究[12-14].使用10μL液滴进行接触角测量,测得超疏水表面的静态接触角为160.0°±0.5°,接触角滞后为2.0°±1.7°.表面粗糙度Rt为36.2μm. 在我们的实验条件下[13,14],通过壁面摩擦速度计算阻力可得超疏水表面减阻率DR在Reθ=990下可达20.7％.与普通表面结果相比,超疏水表面上方的雷诺应力Tturb+和壁面总剪切力T+在近壁区域被抑制,在0.3