疏水性微沟槽液动减阻的仿真分析及其实验研究

摘要

在多种表面减阻技术中,有疏水效应的壁面微沟槽的减阻技术有着突出优点:易加工、低成本、不额外耗能、不对使用载体产生附加设备等。虽然该减阻技术在管道输送和舰艇减阻等方面获得了一定应用,但其减阻机理仍不明晰。鉴于疏水性是疏水性微沟槽减阻的必要条件,论文首先用Fluent仿真验证了所选尺寸下的V形、锯齿形、圆顶形和矩形微沟槽表面的疏水性,然后进一步仿真分析了其减阻特性及其减阻机理,并对微沟槽的疏水特性进行了实验验证。
　　首先,选取四种微沟槽的形状为V形、锯齿形、圆顶形和矩形,并统一选取特征尺寸为30μm。用Fluent的VOF(VolumeofFluid)方法仿真分析了其对液滴的浸润性,并分析了液滴直径、降落速度等因素对壁面微沟槽浸润性的影响。仿真结果表明:上述微沟槽均有良好的疏水性,其中V形和锯齿形微沟槽表面还获得了超疏水性。仿真验证了疏水性微沟槽减阻的前提条件,即疏水性。
　　其次,在仿真验证微沟槽疏水性的基础上,论文建立了上述四种微沟槽的流场计算域模型,优化了网格划分、边界条件选取、计算模型应用等环节,选取不同速度区间进行了流体动力学仿真。仿真结果表明:在不同速度区间,上述四种微沟槽的减阻率大小顺序不同,表明特定形状的微沟槽有其最佳的减阻速度区间。另外,为探究微沟槽的结构参数对其减阻率的影响,论文对不同间距、槽宽、顶角、高度等结构参数的四种微沟槽进行了减阻仿真。仿真结果表明:在相同速度条件下,特定形状微沟槽的结构参数对其减阻率起着决定性影响,当结构参数超出相应极限值时,微沟槽将失去减阻效应,并出现增阻现象。
　　再次,在上述仿真结果的基础上,论文从速度梯度、湍流结构、剪切应力、流场动能等方面对疏水性微沟槽的减阻机理进行了阐释。论文认为微沟槽结构的存在减小了流体的横向波动,减小了湍流猝发强度,使微沟槽壁面流场的速度梯度降低,从而减小了流体对壁面的剪切力,进而实现了减阻。
　　最后,加工了不同间距的矩形微沟槽阵列,并用OCA20视频光学接触角测量仪测量了蒸馏水在其表面的接触角,分析了系列微沟槽表面的接触角变化,并分析了沟槽间距对微沟槽表面浸润性的影响规律。实验结果表明:在一定间距下,系列微沟槽均表现出良好的疏水性;另外,沟槽间距越小,液滴的Cassie状态越稳定,接触角越大,沟槽的疏水性越好。该实验验证了前述疏水性仿真结果,即验证了疏水性微沟槽减阻的必要条件,初步间接证明了疏水性微沟槽的减阻性。

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第1章 绪 论

1.1 选题背景及研究的目的和意义

1.2 壁面微沟槽结构浸润性及疏水性减阻研究现状

1.3 仿真软件

1.4 课题主要研究内容

第2章 微沟槽浸润与减阻理论基础及其建模

2.1 引言

2.2 疏水性概念及其理论模型

2.3 疏水性微沟槽结构表面减阻理论

2.4 近壁区湍流结构模型

2.5 浸润性仿真模型中自由表面跟踪方法及其选择

2.6 疏水性微沟槽表面浸润性模型可靠性验证及其建模

2.7 微沟槽结构的流场计算域建模

2.8 本章小结

第3章 微沟槽结构表面对液滴浸润性的仿真分析

3.1 引言

3.2 流体动力学控制方程

3.3 数值仿真准备

3.4 微沟槽结构表面浸润性仿真结果及其分析

3.5 仿真参数与液滴内部场量分析

3.6 本章小结

第4章 微沟槽减阻效应的流体动力学仿真分析

4.1 引言

4.2 仿真条件设置与控制方程

4.3 仿真初始参数计算

4.4 疏水性微沟槽结构减阻仿真结果及其分析

4.5 微沟槽结构参数对其减阻效应的影响

4.6 微沟槽表面流场分析及其减阻机理研究

4.7本章小结

第5章 微沟槽结构的微细加工及其疏水性验证实验

5.1 引言

5.2 微沟槽结构的微细加工实验

5.3 微沟槽表面的浸润性检测实验

5.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

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