仿生超疏水叶片的制备及其表面流体运动形态的研究

发布时间：2020-04-17 02:39

【摘要】：在长期的进化过程中,由于独特的结构形貌和组成成分,某些生物体表面形成了特殊的超疏水特性,使得这些生物体更易于应对周围特殊的生活环境。而在叶片式流体机械领域,流体介质通过叶轮叶片进行能量的传递和转换,不可避免地会在叶片表面产生大量的摩擦损失,且转速越大能量损失越大。如果能将超疏水表面的减阻特性成功应用到叶片上,理论上可以极大地降低叶片湍流边界层上的能量损失,从而显著提高设备的工作效率。基于这样的灵感,本文选择了简单的平面样件代替形态复杂的叶片开展超疏水表面的制备和减阻特性的理论分析。本文选择了三种关注度较少的植物样本为研究对象,从植物样本的测试、仿生样件的制备、液滴撞击数值模拟以及滑移减阻四个方面开展研究,分析表面微结构在超疏水减阻效应中起到的关键性作用,并探索其工程应用。具体的研究工作及结论如下:(1)选取了狗尾草、三叶草和美人蕉三种植物作为研究对象,分别测试了叶片表面的润湿性及表面微观结构,并建立了对应的理想化的表面微结构数学模型。结果显示,狗尾草叶表面的接触角为150.2°±0.5°,滚动角为7°±1°。狗尾草叶表面分布的相互平行的亚毫米槽棱结构使得液滴的运动呈现出各向异性。三叶草叶表面随机分布着倒放的三棱柱状结构,其表面接触角为151.1°±0.9°,滚动角为8°±1°。美人蕉叶表面均匀分布着四边形凹状结构,其表面接触角为154.2°±1.9°,滚动角为7°±1°。特殊的微结构使得三种植物叶片表面可以有效驻存空气,从而减少了液滴与叶片表面的接触面积,使液滴能轻易在叶片表面滚动。根据建立的润湿性理想模型可知,超疏水表面微结构的几何形状和几何尺寸能够影响液滴在固体表面的润湿性行为。在制备超疏水材料时,可以通过调控粗糙表面的微结构形状和尺寸来改善固体壁面的润湿性。(2)狗尾草叶片表面的微结构相对简单且易于复制,利用电火花精密加工技术在铝合金基体上可以加工出理想的仿生条纹结构。然后利用化学修饰的方法,降低仿生样件的表面自由能,可以制备出具有理想效果的超疏水表面。经测试,制备的仿生样件表面均匀密布着微米级的条纹结构,其表面的接触角为151.2°±1.4°,滚动角为9°±1°。通过对比水平和倾斜情况下液滴在仿生样件和普通光滑样件表面的运动轨迹,进一步证明了经过机械加工和化学修饰后的仿生样件具有优异的超疏水特性。(3)利用CFD方法对液滴撞击固体壁面过程中的形态变化及内部速度、压力分布进行了两相流动数值模拟,分析了液滴撞击速度、表面润湿性以及表面张力对液滴动力学特性的影响。结果表明,液滴撞击壁面的过程分为下落、铺展、收缩和反弹四个阶段。在铺展和收缩阶段,液滴需要克服固体壁面的粘附力做功,且液滴内部速度和压力均沿中心轴呈对称分布。壁面接触角和表面张力对液滴的运动状态有显著影响。随着壁面接触角和表面张力的增大,液滴在壁面上的铺展幅度越小,达到最大铺展状态所需的时间也越少。增大撞击速度,液滴与固体壁面接触时会发生破碎现象。液滴的破碎过程分为两个阶段。第一阶段发生在液滴边缘,主要由表面张力不足造成的;第二阶段发生在液滴内部,主要原因是内部受力不均。(4)利用数值模拟的方法,分析了条纹结构对液滴撞击超疏水表面的运动形态及微通道模拟叶片结构的内流体流动减阻的影响效果。结果显示,液滴撞击条纹微结构表面后的运动形态有三个主要特点:液滴易于沿平行于条纹的方向铺展;沿条纹方向的液滴边缘有两个明显的凸状圆球;液滴的回缩呈现出狭长的十字状形态。流体流经粗糙超疏水表面时会形成抛物线状的气-液交界面,且在交界面上会形成滑移速度降低摩擦阻力。本文针对叶片表面减阻、增效的问题,选择了狗尾草叶表面的槽棱微结构作为仿生原型,对超疏水表面的制备及其表面流体的运动形态进行了分析。在此过程中,建立的润湿性数学模型和基于CFD的超疏水表面分析方法能够为叶片表面仿生减阻的优化设计提供理论参考,简化设计流程,缩短研发周期。同时,利用机械加工的方式构筑仿生微纳结构,可以在一定程度上提高超疏水表面的稳定性,且可以避免化学方法带来的环境污染,是一种绿色加工方法。本文的研究可以为流体机械利用仿生表面进行减阻设计提供借鉴,为超疏水表面的工程应用奠定了一定的基础。
【图文】：

固体表面,润湿性,滚动角,划分标准

图 1.1 固体表面润湿性的划分标准滚动角(SlidingAngle,SA)也是衡量固体表面润湿性的重要指标，定义为液滴在倾斜表面上发生滚动时的倾斜表面与水平面形成的临界角 [4]。严格意义上，将接触角大于 150°，滚动角小于 10°的固体表面称为超疏水表面[5]。前进接触角(Advancing Contact Angle)定义为气-固界面扩展为固-液界面后形成的接触角,以a 表示；而后退接触角(Receding Contact Angle)则为固-液界面缩小为气-固界面时形成的接触角，以r 表示。在实际情况中，由于固体表面的粗糙不平和化学组成不均一使得固体表面的接触角在这两个角度之间变化，这种现象被称为接触角滞后[6]，，如图 1.2 所示。

原理图,接触角滞后,原理图,固体表面

图 1.1 固体表面润湿性的划分标准Angle,SA)也是衡量固体表面润湿性的重动时的倾斜表面与水平面形成的临界滚动角小于 10°的固体表面称为超疏水vancing Contact Angle)定义为气-固界表示；而后退接触角(Receding Contact形成的接触角，以r 表示。在实际情况不均一使得固体表面的接触角在这两后[6]，如图 1.2 所示。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB306

【参考文献】