表面微纳结构对气-水界面稳定性和流动减阻的影响

发布时间：2024-06-08 05:06

　　利用压力-流量测量和流动显示方法研究了6种具有不同微纳结构尺寸的超疏水表面的减阻效果以及表面微结构形状对气-水界面稳定性的影响。实验结果表明:设计的各种超疏水表面在层流和湍流下均具有一定的减阻效果;在相同的固体面积分数情况下,微结构间距越小,减阻效果越好;在具有最小结构间距的微纳二级结构表面上实现了最大减阻率(38.6±4.5)%。流动显示观测发现:减阻率与微结构的层级、尺寸、形貌及槽道流态有关,它们均对气-水界面稳定性有一定的影响,揭示了复合微纳结构之所以能够显著提升减阻效果,是由于添加纳米二级结构减小了原有表面的固体面积分数,并提高了气-水界面的稳定性。此外,对于具有双内凹(伞状)微结构表面的微槽道,即使表面为亲水材料,也可以有效捕捉气体,形成稳定的气-水界面,从而实现超疏水性能。

【文章页数】：7 页

【部分图文】：

图1实验槽道示意图

在槽道减阻实验中，槽道的具体布置如图1所示。槽道全长450mm，截面形状为矩形，展向宽度为10mm，高度为2mm，对应等效水力直径为DH=4A/P=3.33mm，其中A为槽道截面积，P为槽道截面周长。图1中红色区域设计为可替换表面，根据实验需求，可安装各种类型的超疏水表面和作....

图2实验中超疏水表面上方的气膜状态

此外，为观测超疏水表面气膜的状态，将超疏水表面设置在槽道测量段的下表面，槽道测量段上表面为透明观察窗，可在实验中实时观测表面气膜情况。超疏水表面上方的气膜可通过气-水界面不同的反射率进行观测，如图2所示。不同的界面材质会有不同的反射效果，表面上方存在气膜的区域呈现银色，而没有气膜....

图3阻力系数f随雷诺数Re的分布

图3所示为实验中各种表面上方的阻力系数f随雷诺数Re的变化。在图3中，黑色实线为使用经验公式（2）计算出的阻力系数结果，黑色实心方块是普通表面的实验结果平均值。可以看出，普通表面的实验结果和经验值十分接近，这验证了本实验装置的可靠性。空心的标记点表示超疏水表面的结果，其中空心圆圈....

图4微槽道内3类微脊结构

为了研究表面微结构形状对流动的影响，制作了不同形状的微脊结构。通过硅微刻蚀，在硅片上刻蚀了60μm宽、50μm深、28000μm长的微槽，并在其侧壁加工了微脊结构，使用玻璃键合封闭槽道的上表面。设计加工了3类微脊结构，分别为：普通柱状微脊、单内凹微脊（T形微脊）和双内凹微脊（伞....

本文编号：3991502