超疏水表面宏观尺度下流动减阻机理的实验研究

发布时间：2020-03-27 21:36

【摘要】： 针对超疏水微纳米结构表面在流动减阻方面的应用,本文在国家自然科学基金的资助下(No.50606025),采用先进的流动实验测量技术,对多种方法制备的疏水和超疏水表面,在不同流态下的减阻机理和减阻规律进行了实验研究。本文的主要工作包括三个方面: (1)超疏水表面制备与润湿特性的研究采用多种方法制备了不同表面结构不同润湿特性的疏水和超疏水表面,使用视频光学接触角测量仪和扫面电镜(SEM)研究了表面结构对表面静态和动态润湿特性的影响,为进一步研究疏水特性对减阻机理和规律的影响奠定了基础。 (2)超疏水微纳米结构表面流动的PIV实验研究在一开式低速循环水槽中,使用先进的粒子图像测速技术,对粒子涂覆方法和层层自组装两类方法加工表面,在层流和紊流下近壁处的速度分布规律进行测量,比较研究了在不同流态下的滑移速度和滑移长度、近壁面速度分布、近壁面涡量分布和紊流脉动规律。实验发现,相对亲水表面,疏水和超疏水表面近壁处产生不同程度的流动滑移,对近壁面处的涡量和紊流度有明显影响,且不同流态变化规律不同。 (3)超疏水圆管流动减阻的实验研究设计、搭建并标定了一套超疏水管道流动阻力实验台架,通过测量压降与流量之间的关系,研究了内壁具有微纳米结构的超疏水性表面的圆管在层流和紊流条件下的流动减阻规律。实验结果表明,层流条件下,实验疏水和超疏水表面的减阻效果不明显。随着流动进入紊流状态,疏水表面内壁管道和超疏水表面内壁管道才会产生较明显的减阻效果,且随雷诺数的增大,减阻效果增强。
【图文】：

接触角

水滴在此表面上很难稳定地停留。超疏水表面一般有两个特点：1、具有特殊的微纳米结构；2、表面能较低。将液体滴在固体表面上，液体并不完全展开而与固体表面成一角度，即所谓的接触角，以θ表示（如图1-1所示）。在固-液-气三相交点处做气-液界面的切线，此切线与固-液交界线之间的夹角就是该液滴在某一表面的接触角。图 1-1 接触角的定义Fig.1-1 Schematic illustrations of contact angle接触角是衡量固体表面疏水性的标准之一，一般认为接触角越大其表面疏水性也就越好。研究表明，判断一个表面的疏水效果时，只考虑其接触角的大小是不够的，还应该考虑它的动态过程，一般用接触角滞后或滚动角来衡量[1][2]。接触角滞后是指固体表面的前进接触角与后退接触角存在差异的现象。前进接触角 θA是指在增加液滴体积时，液滴与固体表面接触的三相线将要移动而没有移动时的接触角，后退接触角 θR是指在缩小液滴体积时液滴与固体表面接触的三相线将动而未动时的接触角。前进角总是大于后退角（如图 1-2 所示），两者的差值 θ=θA-θR称为接触角滞后。滚动角为液滴在倾斜表面上刚好发生滚动时

示意图,前进角,后退角,示意图

图 1-2 前进角与后退角示意图图 1-3 滚动角示意图Fig.1-2 Schematic illustrations of advancing Fig.1-3 Schematic illustrations ofangle and receding angle roll-off angle1.1.2 自然界中的超疏水表面自然界中，许多植物叶表面，例如荷叶表面的自清洁效果引起了人们的
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：TH117

【参考文献】