超疏水表面微通道中滑移流动的实验研究与数值模拟

摘要

本文对超疏水表面微通道中滑移流动进行了研究。文章采用化学位错刻蚀后再氟化的方法制备铝基超疏水表面，利用流量-压降法研究水在超疏水表面微通道中的滑移流动。微通道为宽高比在20左右的扁平矩形通道，扁平矩形通道微通道的高分别为0.15mm、0.2mm、0.3mm，实验段长50mm，上表面为有机玻璃板，下表面为所制备的铝基超疏水表面。实验研究中，分析了无量纲压降比、滑移速度及滑移长度随雷诺数、微通道几何高度、接触角的变化关系。其它参数不变时，流量增加，即雷诺数增加时，滑移速度增加，无量纲压降比不变；微通道几何高度增加，无量纲压降比减小；滑移长度仅是超疏水表面接触角的函数，不受其它因素影响。在本实验条件下，对于所制备的接触角为157°的铝基超疏水表面，滑移长度为3μm～4μm。

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1绪论

1.1滑移基本概念

1.1.1分子固有滑移(Molecular orIntrinsic slip)

1.1.2表观滑移(Apprent slip)

1.2滑移流动的影响因素

1.3滑移流动的研究进展

1.3.1实验研究

1.3.2理论研究

1.4滑移流动的物理机制

1.4.1滑移的极限剪应力模型

1.4.2基于气层假设的滑移流动模型

1.5总结与展望

1.6本文的主要工作

2超疏水表面的理论及其制备

2.1超疏水表面基本理论

2.1.1 Young方程

2.1.2 Wenzel表面粗糙模型和Cassie空气垫模型

2.1.3接触角滞后和滚动角

2.2超疏水表面的制备及表征

2.2.1实验材料及设备

2.2.2化学位错刻蚀法

2.2.3表面的表征及讨论

3超疏水表面微通道内滑移流动的实验研究

3.1实验系统设计

3.1.1微通道的构建

3.1.2实验系统及操作流程

3.2实验结果及讨论

3.3 小结

4超疏水表面滑移流动的二维数值模拟

4.1物理模型

4.1.1微细结构尺寸与流场之间的限制关系

4.1.2二维物理模型

4.2数学模型

4.2.1容积比率

4.2.2控制方程与求解条件

4.2.3界面附近的插值

4.3数值模拟结果与实验值的比较

4.4流场分析

4.5流量和微通道尺寸对滑移的影响

4.5.1流量对滑移的影响

4.5.2微通道高度对滑移的影响

4.6自由剪切面积比对滑移的影响

4.7液体在凹坑中的浸润深度对滑移的影响

4.8本章结论

5结论与展望

5.1总结与结论

5.2展望

参考文献

附录A符号说明

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致 谢