微纳二级结构超疏水表面湍流减阻机理的TRPIV实验研究

摘要

本文采用高时间分辨率粒子图像测速系统(TRPIV)，在低速循环式水槽中，对微-纳二级结构超疏水壁面湍流边界层相干结构控制及超疏水壁面的湍流边界层减阻机理进行实验研究。
　　首先使用单个高速相机和高频脉冲激光片光源组成的TRPIV系统，在低速循环式水槽中，以高时间分辨率,在三个不同流速（雷诺数）下，分别测量普通光滑壁面和微-纳二级结构超疏水壁面零压力梯度平板湍流边界层瞬时流向-法向速度场的时间序列，并在每个流速（雷诺数）下获得两组共13092个瞬时速度矢量场时间序列样本。
　　然后对每个流速（雷诺数）的二维瞬时速度场进行时间平均，分别得到每个流速（雷诺数）的普通光滑壁面和超疏水壁面湍流边界层平均速度空间分布云图；然后再对平均速度空间分布云图进行流向空间平均，分别得到每个流速（雷诺数）的普通光滑壁面和超疏水壁面湍流边界层无量纲平均速度剖面；然后以平均速度剖面中的壁面摩擦速度作为未知参数，用牛顿迭代法，拟合出普通光滑壁面和超疏水壁面湍流边界层平均速度剖面的壁面摩擦速度，并由此计算壁面摩擦系数、壁面摩擦切应力等粘性内尺度参数，分析超疏水材料表面湍流边界层的减阻率。通过对比发现，超疏水壁面增加了对数律区以下区域的平均流速。利用壁面摩擦系数得到超疏水壁面减阻率，并在低雷诺数下证实超疏水壁面获得了10.58％的减阻效果。对比三组不同雷诺数发现，随着雷诺数的增大，减阻率逐渐降低。
　　将湍流多尺度相干结构的理论引入超疏水壁面湍流边界层减阻机理的研究。对三个不同雷诺数下普通光滑壁面和超疏水壁面湍流边界层瞬时流向脉动速度场进行空间多尺度分解，分解为不同空间尺度的局部平均速度结构函数，以瞬时流向脉动速度的空间局部平均结构函数作为特征量，以瞬时流向脉动速度的空间局部平均结构函数过零点作为检测准则，结合新象限分裂法，检测并提取了超疏水壁面及光滑壁面湍流边界层不同法向位置处的相干结构在喷射和扫掠过程中流向脉动速度、法向脉动速度、展向涡量等物理特征的空间拓扑形态。从壁湍流相干结构猝发控制的角度，分析了微-纳二级结构超疏水壁面湍流边界层的减阻机理。研究发现，超疏水壁面抑制了相干结构中的流向、法向脉动强度和涡量强度，从而减小了猝发过程中流体动量和能量在喷射和扫掠过程中的动量、能量。随着远离壁面，超疏水材料壁面对相干结构猝发的抑制效果逐渐降低。

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字母注释表

第一章 绪论

1.1超疏水表面研究

1.1.1 表面润湿性研究

1.1.2 表面滑移研究

1.1.3 流动减阻实验及模拟

1.2 湍流研究

1.2.1 湍流边界层的相干结构

1.2.2 壁湍流相干结构的空间单点测量与检测

1.2.3 壁湍流相干结构的 PIV 研究

1.2.4 壁湍流相干结构控制技术

1.3 本文工作

第二章 实验设备及测量技术

2.1 实验设备和装置

2.1.1 实验用水槽

2.1.2 实验用超疏水平板和光滑平板

2.2 实验测量技术

2 . 2 . 1 PIV及 TRPIV测速原理和应用

2.2.2 TRPIV系统组成

第三章 实验及数据处理方法

3.1 二维 TRPIV 实验

3.2 平均速度剖面

3.3 湍流多尺度空间局部平均速度结构函数与子波变换

3.3.1 空间局部平均速度结构函数

3.3.2 子波变换

3.4 象限分裂法(IQSM)

第四章 实验结果及讨论

4.1 湍流边界层湍流统计量比较

4.1.1 湍流边界层时均速度云图

4.1.2 无量纲化平均速度剖面及减阻率

4.2 不同法向位置处超疏水壁面对相干结构猝发事件的影响

4.2.1 超疏水壁面与光滑壁面相干结构流向速度分量分布

4.2.2 超疏水壁面与光滑壁面相干结构法向速度分量分布

4.2.3 超疏水壁面与光滑壁面相干结构展向涡量分布

第五章 结论

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢