流體流動(dòng)減阻終稿

1、流體流動(dòng)減阻技術(shù)綜述Xx（能源科學(xué)與工程學(xué)院，熱能工程系）摘要：目前, 對(duì)于流動(dòng)減阻的相關(guān)研究和應(yīng)用越來(lái)越多, 許多有效的流動(dòng)減阻方法得到了廣泛的應(yīng)用。對(duì)于這些方法的減阻機(jī)理, 一般認(rèn)為是通過(guò)增加粘性底層的厚度實(shí)現(xiàn)減阻的。其中超疏水表面減阻是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)，應(yīng)用前景十分廣闊。表面浸潤(rùn)性是固體表面重要特性之一，通常采用液滴在表面的接觸角大小來(lái)衡量，當(dāng)表面接觸角大于 150°時(shí)，該表面被稱為超疏水表面。表面微細(xì)粗糙結(jié)構(gòu)是獲得超疏水表面的關(guān)鍵。隨著微納米科技的發(fā)展，超疏水表面的可控加工成為可能，由于其廣闊的應(yīng)用前景，超疏水表面的浸潤(rùn)性及其應(yīng)用成為研究的熱點(diǎn)。然而,目前關(guān)于流動(dòng)減阻機(jī)理的研究

2、還不是十分成熟, 需要進(jìn)一步進(jìn)行研究。關(guān)鍵詞：熱能工程；減阻；滑移長(zhǎng)度；超疏水表面中圖分類號(hào)：文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： 文章編號(hào)：Review of technology on the fluid flow drag reductionJIANG Tao(School of energy science and engineering, Department of thermal engineering)Abstract：“Drag Reduction”is a hotspot research of the hydrodynamics with more and more research work a

3、nd applica-tions. Many drage reduction methods are used widely, and the mechanism research of these methods are also developing.Generally speaking, the thickening of the viscous sublayer is the main academic reason. In all the methods, The super hydrophobic surface drag reduction is the focus of cur

4、rent research, and has very broad application prospects. The wettability is one of the key features of solid surface, usually the contact angle of droplets on the surface is used to measure wettability, when the contact angle is greater than 150°, this surface is called super-hydrophobic surfac

5、e.the microstructure on the surface is the key factor to get superhydrophobic surface. With the development of microprocessing technology, man-made superhydrophobic surface is possible. Because of its broad application, the wettability and application of superhydrophobic surface become a hot researc

6、h. But the research work of the drag reduction is not so mature, need more further development.Key words：thermal engineering; drag reduction; slip length; super hydrophobic surface0 引言能源問(wèn)題一直以來(lái)都受到世界各國(guó)的重視，實(shí)際工程里到處可以看到換熱和流動(dòng)的問(wèn)題，如化工、石油、動(dòng)力以及航空、航天、核能等工業(yè)部門。節(jié)約能源，降低消耗，提高流體機(jī)械的工作效率，提高熱交換效率等是人類一直追求的目標(biāo)。首先，從流動(dòng)減阻方面來(lái)

7、說(shuō)，對(duì)于自然界中的流動(dòng)狀態(tài)，人們一般將其分為層流流動(dòng)和和湍流流動(dòng)；對(duì)于雷諾數(shù)較小的層流流動(dòng)來(lái)說(shuō)，它的流動(dòng)控制策略研究已經(jīng)相當(dāng)成熟，且現(xiàn)存的絕大多數(shù)問(wèn)題在實(shí)際工程應(yīng)用中已經(jīng)很成熟，可靠度也很高。當(dāng)雷諾數(shù)足夠大時(shí)，流動(dòng)變成湍流，流動(dòng)狀態(tài)變得很復(fù)雜，湍流中各物理參數(shù)，如速度、壓力、溫度等隨時(shí)間與空間發(fā)生變化。而對(duì)于較大雷諾的紊流流動(dòng)，是實(shí)際中較常見(jiàn)的一種流體形態(tài)，對(duì)它的研究具有廣泛的應(yīng)用前景。湍流研究最多的就是湍流流動(dòng)減阻的研究。目前，減少輸送過(guò)程界面上的摩擦阻力是節(jié)約能源的一種方法，這就需要采取措施降低輸運(yùn)過(guò)程的流動(dòng)阻力。流動(dòng)減阻的方法一般有：仿生減阻（包括溝槽減阻、肋條減阻、柔順壁面減阻、疏水表

8、面減阻）、動(dòng)態(tài)減阻（包括氣幕減阻、壁面振動(dòng)減阻、壁面吸入法減阻、等離子體減阻、壁面加熱和冷卻減阻）、靜態(tài)減阻（包括添加劑減阻（聚合物減阻、表面活性劑減阻、纖維材料減阻）、涂層減阻、磁性液體粘性減阻）、漿體管道減阻（包括螺旋流減阻、螺旋管道、改變管道形狀減阻）、聯(lián)合減阻等 李康寧. 波紋面?zhèn)鳠崤c流動(dòng)特性的大渦模擬D.天津：天津大學(xué)，2011.Li Kangning. The large eddy simulation of characteristics of heat transfer and flow ripple D. Tianjin: Tianjin University, 2011。本

9、文將對(duì)國(guó)內(nèi)外減阻技術(shù)的主要成果進(jìn)行回顧，并對(duì)其減阻原理進(jìn)行總結(jié)和分析，簡(jiǎn)單介紹其在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用。1 減阻技術(shù)綜述這些年來(lái), 關(guān)于減阻的實(shí)驗(yàn)研究比較多, 取得了許多相關(guān)的資料和數(shù)據(jù),有一些已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。主要包括溝槽法、氣泡法、柔壁法、高聚合物添加劑法、高分子涂層減阻和壁面振動(dòng)減阻等。 王英奎, 江春波, 李 玲. 流動(dòng)減阻的研究綜述J.水力發(fā)電，2008,34(2):67-70.Wang Yingkui, Jiang Chunbo, Li Ling. Review of research on drag reductionJ, Hydroelectric power,2008,34 (

10、2): 67-70.1.1 仿生柔壁法20 世紀(jì) 60 年代, Kramer 發(fā)現(xiàn)“人造海豚皮”的減阻效果后, 柔壁減阻越來(lái)越受到人們的重視。通常的做法是在固體壁面上加泡沫塑料, 往中間充滿水或油等液體后, 在上面蒙一層不滲透或半滲透性的薄膜, 這樣就能產(chǎn)生一定的彈性。近期 Cooper 和 Carpanter 致力于研究?jī)?yōu)化柔順涂層以達(dá)到最大程度地降低表面摩擦阻力, 例如采用復(fù)合柔順嵌板以及各向異性的涂層等。他們還研究了柔順性轉(zhuǎn)盤對(duì)邊界層轉(zhuǎn)捩的影響。俄羅斯學(xué)者 Kulick 和 Semonov 研究證明柔順壁能有效降低表面摩阻和流動(dòng)噪聲, 降幅可達(dá) 17%。諾丁漢姆大學(xué)的 Choi 對(duì)其結(jié)果

11、進(jìn)行了一系列的驗(yàn)證試驗(yàn), 結(jié)果表明其中一種柔順壁的湍流減阻率可達(dá) 7%, 相應(yīng)的柔順壁下游的表面摩擦力下降 7%。 Choi K- S, etal. Emerging techniques in drag reduction M. Me-chanical Engineering Publications London, l996.一般認(rèn)為, 柔順壁的作用使得粘性底層變厚, 邊界層上流速梯度減小, 從而減小了邊界面上的剪力, 也減小了由于剪力做功而發(fā)散的能量, 實(shí)現(xiàn)了減阻。1.2 壁面震動(dòng)減阻該方法是最近才出現(xiàn)的一種減阻方法。這種方法的基本思想是壁面的振動(dòng)可以減小湍流和表面摩擦力, 最初是利用直

12、接數(shù)值模擬(DNS) 研究得到的。 Arturo B, Maurizio Q. Turbulent drag reduction by spanwise walloscillationsJ. Applied Scientific Research, 1996, 55:311- 326.美國(guó)伊利諾斯大學(xué)的 Mao Zhuoxiong 等首先進(jìn)行了大振幅壁面振動(dòng)減阻試驗(yàn), 在雷諾數(shù) 970019200 的范圍里,減阻率達(dá)到 10%15%。Laadhari 等為了驗(yàn)證 DNS 結(jié)果, 也進(jìn)行了試驗(yàn), 研究壁面順翼展方向振動(dòng)時(shí)湍流邊界層的情況。結(jié)果表明, 靠近振動(dòng)壁面處湍流邊界層的平均速度梯度減小,

13、湍流強(qiáng)度減弱, 從而驗(yàn)證了壁面振動(dòng)可以減小湍流邊界層的表面摩擦阻力。目前針對(duì)該方法的研究文獻(xiàn)較多, 關(guān)于機(jī)理的分析有兩種說(shuō)法: 一是認(rèn)為減阻與振動(dòng)壁面上周期性的 Stokes 層產(chǎn)生的順翼展方向的渦旋狀態(tài)有關(guān), 因?yàn)樗谡承缘讓訙p小了平均流速梯度, 從而影響了邊界層的剖面, 近壁區(qū)流向渦也順翼展方向重新排列, 從而減弱了橫向邊界層的流向渦的波動(dòng)強(qiáng)度。另一種說(shuō)法認(rèn)為, 在湍流邊界層存在準(zhǔn)流向渦的再生循環(huán)現(xiàn)象, 壁面湍流就是靠它來(lái)維持的。一般認(rèn)為準(zhǔn)流向渦是產(chǎn)生湍流表面磨擦力的直接原因, 而壁面振動(dòng)干擾了準(zhǔn)流向渦的再生循環(huán)從而實(shí)現(xiàn)減阻。1.3 超疏水表面減阻表面潤(rùn)濕是固體表面的重要特性之一，也是最常

14、見(jiàn)的一類界面現(xiàn)象，潤(rùn)濕性通常用表面液滴的接觸角來(lái)衡量，通常將接觸角小于 90°時(shí)的固體表面稱親水表面（hydrophilic surface）,大于 90°稱疏水表面（hydrophobic surface），其中，當(dāng)固體表面上液滴的表觀接觸角超過(guò) 150°時(shí)，稱超疏水性表面（superhydrophobic）。它在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人們的日常生活中都有著非常廣闊的應(yīng)用前景 江雷. 從自然到仿生的超疏水納米界面材料N.科技導(dǎo)報(bào). 2005, 23(2):4-8.Jiang Lei. Materials with superhydrophobic surface from

15、 nature to nanostructuredN. Science and technology review. 2005, 23 (2): 4-8.，如輸油管路減阻、微通道流動(dòng)、水中行具減阻、自清潔表面材料等。超疏水表面的減阻機(jī)理實(shí)際上是由流體流經(jīng)固體表面時(shí)所存在的氣液接觸特性決定的。Jia Ou 和 Jonathan P.Rothstein的實(shí)驗(yàn)表明，流體的壓降與氣液接觸面上的滑移速度有著直接的聯(lián)系，并且氣液接觸面的存在減小了液體和固體的有效接觸面積，也就是在流固界面上存在滑移邊界條件，這種滑移邊界條件在層流條件下能夠造成明顯的減阻效果，而在湍流條件下它對(duì)流動(dòng)的影響仍不十分確定。1.4

16、 微氣泡減阻在物面上造成氣泡, 利用氣泡的小摩阻性和易變形特點(diǎn)來(lái)調(diào)節(jié)底層流動(dòng)結(jié)構(gòu)以減阻。西北工業(yè)大學(xué)的宋保維等研究了邊界層中的微氣泡對(duì)平板表面摩擦阻力的影響, 在一定條件下, 計(jì)算得到減阻率在 60%左右 宋保維, 黃景泉. 微氣泡降低平板阻力的研究J. 水動(dòng)力學(xué)研究與進(jìn)展 A 輯, 1989, (4) : 105- 114.Song Baowei, Huang Jingquan. Micro bubble reducing resistance of flat J. water dynamics research and development of A series, 1989, (4):

17、 105- 114。他們認(rèn)為微氣泡減阻的機(jī)理在于: 位于邊界層內(nèi)的微氣泡本身具有變形能, 它把剪切力作用于流體的一部分功轉(zhuǎn)為變形能儲(chǔ)存起來(lái), 從而減少了能量損耗, 導(dǎo)致減阻。但此方法有一個(gè)很大的缺點(diǎn), 就是氣泡不穩(wěn)定, 一旦破裂將產(chǎn)生較大的阻力和噪聲; 同時(shí), 如果氣泡太小又不能達(dá)到減阻效果, 因此應(yīng)注意氣泡的產(chǎn)生和消除。1.5 溝槽法減阻目前的各種湍流減阻方法中，溝槽表面減阻技術(shù)以其減阻效果顯著和易于推廣使用的特點(diǎn)，被公認(rèn)最具使用潛力。該技術(shù)起源于仿生學(xué)對(duì)鯊魚(yú)等魚(yú)類表皮的研究(圖1)，通過(guò)在航行體外表面加工具有一定形狀尺寸的溝槽結(jié)構(gòu)（溝槽方向與流向一致，有V形、U形等多種形狀），就能達(dá)到很好

18、的減阻效果。該項(xiàng)技術(shù)在國(guó)外已投入了實(shí)際應(yīng)用，如空中客車將A320試驗(yàn)機(jī)表面積的約70%貼上溝槽薄膜，達(dá)到了節(jié)油1%2%的效果；NASA蘭利中心在Learjet型飛機(jī)上開(kāi)展的類似飛行試驗(yàn)顯示，溝槽表面的減阻量約為6%左右；另一個(gè)典型的例子就是Speedo公司（美國(guó)）生產(chǎn)的具有表面的游泳衣。胡海豹，宋保維，潘光，等. 鯊魚(yú)溝槽表皮減阻機(jī)理的仿真研究J.系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2007,19（21）:4901-4907Hu Haibao, Song Baowei, Pan Guang, et al. The simulation study about drag reduction mechanism of

19、shark riblets surfaceJ. Journal of system simulation ,2007,19 (21): 4901-4907 圖1 鯊魚(yú)表皮局部放大照片 Fig.1 Shark skins local magnification pictures近些年來(lái), 對(duì)肋條減阻機(jī)理的研究越來(lái)越多。Gallagher和 Thomas 認(rèn)為粘性底層厚度增加是實(shí)現(xiàn)減阻的主要原因。Bacher 和 Smith 歸結(jié)為反向旋轉(zhuǎn)的流向渦與肋條尖頂形成的小的二次渦的相互作用, 認(rèn)為二次渦減弱了與低速帶條相聯(lián)系的流向渦, 并在肋條之間的溝槽內(nèi)保留低速流體。Choi認(rèn)為, 最主要的是縱向凹槽

20、與馬蹄形渦相互作用并阻礙漩渦的進(jìn)一步發(fā)展, 從而實(shí)現(xiàn)了湍流減阻。Walsh 認(rèn)為, 狹窄的 V形肋間溝槽的溝谷保留有低摩阻的低速安靜流, 因而降低了總的阻力。這一點(diǎn)被 Park 和 Wallace 對(duì)肋條側(cè)面摩阻的精細(xì)測(cè)量所證實(shí)。由于溝槽法減阻的可靠性和可應(yīng)用性, 國(guó)外的研究已經(jīng)進(jìn)入了工程實(shí)用階段, 主要在航空界應(yīng)用較多。1.6 涂層減阻涂層減阻是在管道或明渠內(nèi)壁涂上減阻材料以達(dá)到減阻效果的方法, 其關(guān)鍵技術(shù)在于減阻涂料和涂敷技術(shù)兩個(gè)方面。該方法最早在 1953 年就應(yīng)用于石油管道干線輸氣, 發(fā)現(xiàn)可以使輸氣量增加 5%20%。后來(lái)該方法有了更進(jìn)一步的發(fā)展, 目前在天然氣輸運(yùn)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。朱

21、秀芳等研究了多種高分子涂層在水中的減阻效果, 發(fā)現(xiàn)硅油的減阻效果最好。其機(jī)理主要是利用了硅油的疏水性, 使得壁面更光滑, 從而減小了阻力。我國(guó)天然氣管道正處在一個(gè)空前繁榮的發(fā)展階段，在未來(lái)幾年里將有包括約7000km的西氣東輸復(fù)線在內(nèi)的多條天然氣管線建設(shè)。為了減少輸送阻力、提高輸氣效率，天然氣管道采用了內(nèi)涂層減阻技術(shù)。內(nèi)涂層減阻技術(shù)在歐美工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的應(yīng)用已經(jīng)有很長(zhǎng)的歷史，國(guó)內(nèi)在西氣東輸天然氣管道工程以后陸續(xù)采用了內(nèi)涂層減阻技術(shù)。 崔 超，劉忠勝，陳 明，等. 內(nèi)減阻技術(shù)簡(jiǎn)述及涂層缺陷與對(duì)策J.現(xiàn)代涂料與涂裝，2007,10（7）:50-52Cui Chao, Liu Zhongsheng,

22、Chen Ming, et al. The internal drag reduction technology and coating defects and Countermeasures J. modern paint and coating, 2007,10 (7): 50-52內(nèi)涂層減阻技術(shù)基本原理源于阿芒湯摩擦定律： 式中：摩擦系數(shù)； 外力； 正壓力； 接觸表面積；剪切強(qiáng)度；壓縮流動(dòng)壓力。因此，若在硬底材上涂一層剪切強(qiáng)度較低的減阻涂料，就會(huì)得到低剪切強(qiáng)度和高流動(dòng)壓力，因而降低摩擦系數(shù)。因?yàn)楦叻肿訙p阻涂料的分子特質(zhì)可以改變鋼管內(nèi)壁的剛性邊界，使其邊界層內(nèi)壁上的流體速率梯度降低，從而降

23、低流體對(duì)鋼管內(nèi)表面的剪力而達(dá)到減阻的目的。所以內(nèi)涂層的質(zhì)量對(duì)減阻效果尤為關(guān)鍵，而內(nèi)減阻涂料是內(nèi)涂層的物質(zhì)基礎(chǔ)，涂覆過(guò)程是內(nèi)涂層的實(shí)現(xiàn)形式，也可以說(shuō)內(nèi)減阻涂料和涂覆過(guò)程是內(nèi)涂層減阻技術(shù)的關(guān)鍵。1.7 高聚合物添加劑減阻高聚合物添加劑法是近年來(lái)減阻研究的一個(gè)重點(diǎn), 它通過(guò)在流體中溶入少量長(zhǎng)鏈高分子聚合物來(lái)實(shí)現(xiàn)減阻。高聚合物添加劑減阻是通過(guò)從液體內(nèi)部邊界創(chuàng)造條件以實(shí)現(xiàn)減阻, 它們有一個(gè)共同的特點(diǎn)就是分子量的量級(jí)都高達(dá)百萬(wàn)。Baron 等采用有限可伸長(zhǎng)的柔性啞鈴狀模型對(duì)有聚合物添加劑的邊界層進(jìn)行了直接數(shù)值模擬(DNS) 計(jì)算。結(jié)果表明, 聚合物添加劑能夠影響流向渦的強(qiáng)度, 增大低速帶條的間距, 從而減

24、小湍流的剪切應(yīng)力實(shí)現(xiàn)了減阻。Yarin 等則歸結(jié)于聚合物稀溶液的高粘度阻礙了渦的擴(kuò)展, 降低了湍流的猝發(fā)頻率, 使得流速更加平穩(wěn)從而導(dǎo)致減阻。荷蘭代夫特科技大學(xué)的 Den Toonder 通過(guò)試驗(yàn)認(rèn)為, 聚合物擴(kuò)散引起的各項(xiàng)異性的粘性應(yīng)力是導(dǎo)致減阻的主要因素。由于該方法容易實(shí)現(xiàn)并且效果較好, 在很多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。尤其在原油輸送中, 可明顯節(jié)約能源和設(shè)備。在水射流技術(shù)方面, 也可采用聚合物添加劑, 以提高高速水流的出口動(dòng)量和射程等。 尹國(guó)棟, 高淮民，等. 聚合物減阻機(jī)理研究 J. 油氣運(yùn)輸,2002, 21(7): 1- 2, 12.Yin Guodong, high Huaimin,

25、et al. The mechanism of polymer drag reduction J. oil and gas 2002, 21 (7): 1- 2, 122 超疏水表面減阻隨著微納米材料科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，固體的表面結(jié)構(gòu)和粗糙度可實(shí)現(xiàn)微納米級(jí)的尺度控制，使得固體表面拓?fù)浜徒Y(jié)構(gòu)尺寸對(duì)潤(rùn)濕性成為很多領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，涌現(xiàn)了大量關(guān)于疏水和超疏水表面疏水特性的研究論文，但該類研究大都采用液滴方式對(duì)表面疏水特性進(jìn)行研究，缺乏不同液滴形成方法對(duì)表面疏水特性影響的分析研究。直到 Yang-Tse Cheng發(fā)現(xiàn)具有超疏水性的荷葉表面在冷凝條件下無(wú)法保持疏水特性，又引發(fā)了對(duì)超疏水表面疏水特性的新認(rèn)

26、識(shí)。 2.1 超疏水表面減阻技術(shù)的機(jī)理分析2.1.1 表觀滑移理論在經(jīng)典流體力學(xué)中，研究大部分流動(dòng)問(wèn)題的方法是在給定的邊界條件（BC, boundary condition）下求解 Navier-Stokes 方程，因此，邊界條件在一定程度上決定了流場(chǎng)的狀態(tài)，現(xiàn)在被普遍采用的就是 Bernoulli 提出的由 Stokes 總結(jié)完善的無(wú)滑移邊界條件（no-slip BC），認(rèn)為液體自身的粘性及液體分子與固體表面分子的粘附作用，使得貼近固體壁面處的流體分子活動(dòng)的可能性極小，宏觀上認(rèn)為其與固體壁面相對(duì)靜止。幾百年來(lái)，無(wú)滑移邊界條件圓滿解決了幾乎所有的宏觀流動(dòng)問(wèn)題，然而它僅僅是一種經(jīng)驗(yàn)條件，迄今為止

27、，還沒(méi)有辦法從流體動(dòng)力學(xué)角度加以證明。同時(shí)，對(duì)固-液界面處邊界條件的研究始終沒(méi)有間斷過(guò)。早期的實(shí)驗(yàn)中，無(wú)滑移邊界條件就無(wú)法解釋疏水毛細(xì)管內(nèi)流動(dòng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。與 Bernoulli 相對(duì)，Navier 提出了滑移假設(shè)邊界條件，引入了“滑移長(zhǎng)度(slip length)”的概念，成為今天定量研究分析滑移的標(biāo)準(zhǔn)。普通的壁面流動(dòng)是很難產(chǎn)生滑移的。這是因?yàn)楣腆w表面具有很強(qiáng)的殘余化學(xué)鍵，對(duì)外的活性很高，顯現(xiàn)出很強(qiáng)的表面能，將流體分子牢固的吸附在其表面。因此，要產(chǎn)生滑移效果，必須改變流動(dòng)壁面的形貌來(lái)改善固-液界面之間的相互作用，形成所謂超疏水表面。大部分超疏水表面是基于 Cassie空氣墊模型的，水不能完全浸

28、潤(rùn)固體表面。由此聯(lián)想到，在固液界面上存在一層由納米氣泡構(gòu)成的氣膜。近年來(lái)在固液界面的實(shí)驗(yàn)觀察證實(shí)了納米氣泡的存在。對(duì)于復(fù)雜的不均勻的超疏水表面，水流過(guò)時(shí)阻力的減小和滑移現(xiàn)象的產(chǎn)生，也從寧一個(gè)方面證明了不顯示摩擦阻力的氣/液界面存在，支持了水在超疏水表面上流過(guò)時(shí)存在納米氣泡的設(shè)想。呂田. 超疏水表面潤(rùn)濕性與流動(dòng)減阻機(jī)理研究D.上海：上海交通大學(xué)，2009.Lu Tian. Super hydrophobic surface wetting and flow drag reduction mechanism study D. Shanghai: Shanghai Jiao Tong Univers

29、ity, 20092.1.2 國(guó)外超疏水表面流動(dòng)減阻及模擬基于上述超疏水表面滑移流動(dòng)的理論，人們基本對(duì)超疏水性微納米結(jié)構(gòu)表面減租的機(jī)理形成了共識(shí)，即超疏水性表面微納米級(jí)的微凸起依靠表面張力支撐流動(dòng)流體，流體主要從微凸起間的空氣層流過(guò)，流固接觸面積急劇減小，從而降低了表面粘性摩擦阻力所致。超疏水表面的流動(dòng)方向與溝槽方向垂直。在層流條件下，Keizo Watanabe 等采用 6mm,12mm 直徑的圓管，內(nèi)壁涂有超疏水性薄膜（表面存在 1020m 大小的交叉微裂紋），測(cè)量了壓降和速度剖面，結(jié)果表明在層流條件下減阻效果可達(dá) 14%，而在湍流條件下這種減阻效果消失。Ou等人設(shè)計(jì)了在流向上具有微槽的超

30、疏水表面結(jié)構(gòu)，如圖 2所示。并通過(guò)采用 -PIV 技術(shù)測(cè)得微通道內(nèi)的速度流場(chǎng)（圖3），可以明顯地觀測(cè)到在液氣接觸面上液體的滑移流動(dòng)。并通過(guò)數(shù)值模擬的方法出以下結(jié)論 1.微脊空隙的增加和微通道寬度的減少，將增大無(wú)量綱壓降比，增強(qiáng)滑移效果；2.微脊間隔有一個(gè)臨界值，當(dāng)小于這個(gè)臨界值時(shí)，不能得到壓降的明顯減少，阻力不會(huì)減少，滑移遭到破壞；3.在自由剪切面處獲得了大于主流平均速度 60%的滑移速度。然而，對(duì)流動(dòng)的影響不會(huì)向遠(yuǎn)離壁面處擴(kuò)展。 Ruckenstein E, Rajora P. On the no-slip boundary condition of hydrodynamics. J. Co

31、lloid Interface Sci. 1983, 96 (22) :488-491.超疏水表面在湍流流動(dòng)下是否具有減阻效果仍存在爭(zhēng)議。Kim 等人采用直接數(shù)值模擬的方法（DNS）對(duì)此進(jìn)行了研究。通過(guò)在壁面添加不同方向的滑移邊界條件，來(lái)研究滑移邊界對(duì)湍流的影響。通過(guò)設(shè)定不同的滑移長(zhǎng)度，比較其減阻效果。通過(guò)對(duì)近壁面處渦量結(jié)構(gòu)的觀察發(fā)現(xiàn)，流向滑移會(huì)造成近壁面渦量減小，展向滑移會(huì)造成渦量增加，正是這兩個(gè)方向滑移流動(dòng)的共同作用，決定了該表面表現(xiàn)出減阻或增阻的效果，要想在湍流流動(dòng)中獲得明顯的減阻效果必須使得流向上的滑移長(zhǎng)度大于某一特定的值。郭云鶴，宋保維，胡海豹，等. 非穩(wěn)態(tài)下超疏水表面減阻仿真研究J

32、空氣動(dòng)力學(xué)學(xué)報(bào)，2013,31（3）:326-332.Guo Yunhe, Song Baowei, Hu Haibao, et al. The simulation study of super hydrophobic surface drag reduction in non stable J aerodynamic Sinica, 2013,31 (3): 326-332.2.1.3 國(guó)內(nèi)超疏水表面流動(dòng)減阻及模擬郭云鶴等對(duì)非穩(wěn)態(tài)和穩(wěn)態(tài)下的超疏水表面減阻做了對(duì)比研究，由于非穩(wěn)態(tài)情況下的氣液交界面分布與穩(wěn)態(tài)情況下的完全不同，所以，二者在流場(chǎng)特性和減阻規(guī)律上也必定有著很大的區(qū)別。因此，分別在非

33、穩(wěn)態(tài)、穩(wěn)態(tài)情況下開(kāi)展了不同超疏水表面減阻仿真對(duì)比研究。首先，選取槽深、槽寬、槽間距均為10m的矩形槽在不同速度下進(jìn)行仿真對(duì)比。圖4和圖5分別顯示了不同速度下穩(wěn)態(tài)與非穩(wěn)態(tài)模擬在減阻率和滑移速度方面的對(duì)比?？梢钥闯觯欠€(wěn)態(tài)情況下的減阻率比穩(wěn)態(tài)情況下要低，只有在來(lái)流速度為4m/s時(shí)減阻率基本相等。穩(wěn)態(tài)情況下的減阻率隨速度增加一直在增，而非穩(wěn)態(tài)的減阻率則在4m/s時(shí)達(dá)到最大，繼續(xù)增大流速反而會(huì)使減阻率降低。無(wú)論是穩(wěn)態(tài)還是非穩(wěn)態(tài)，滑移速度均隨來(lái)流速度增加而快速增長(zhǎng)，且非穩(wěn)態(tài)情況下的滑移速度要更高。與穩(wěn)態(tài)情況下不同的是，非穩(wěn)態(tài)情況下減阻率曲線與滑移速度曲線走勢(shì)并不一致。造成這一現(xiàn)象的原因是：非穩(wěn)態(tài)下的凹槽

34、表面也承受了更大的壓差阻力。研究得出：非穩(wěn)態(tài)與穩(wěn)態(tài)模擬的結(jié)果不同，非穩(wěn)態(tài)下得到的疏水表面減阻率隨來(lái)流速度增加呈現(xiàn)先增大而后降低的趨勢(shì)，超疏水表面微結(jié)構(gòu)內(nèi)部初始時(shí)充滿的氣體隨流動(dòng)不斷被向上托起后向下游移動(dòng)，部分水則進(jìn)入凹槽中，而留在凹槽中上部的氣體被來(lái)流加速形成穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)氣團(tuán)，且氣體漩渦持續(xù)穩(wěn)定存在。2.2 超疏水表面的應(yīng)用功能性應(yīng)用的眾多需求一直驅(qū)使著超疏水表面不斷研究發(fā)展?，F(xiàn)如今,在不同的領(lǐng)域涌現(xiàn)出一大批新型、高效的應(yīng)用方式。超疏水表面的一個(gè)很重要的應(yīng)用即為其超疏水性的可逆性。超疏水可逆性原理可應(yīng)用于液滴或納米粒子的操縱和微米級(jí)毛細(xì)管引擎。T uteja 等在油料輸送管道和儲(chǔ)油罐內(nèi)制備出以低表面能物質(zhì)修飾的粗糙表面,同樣可以適用于低表面能油料流體的輸送。這一成果具有很高的工業(yè)應(yīng)用價(jià)值,其規(guī)?；瘧?yīng)用潛力巨大。在銅面形成超疏水涂層,二者之間粘著力較好,且經(jīng)過(guò)該法處理的銅,可以在海水環(huán)境中保持一個(gè)月。這一實(shí)驗(yàn)的成功,為海中作業(yè)的船舶、設(shè)備等提供了良好的防腐思路。在電池系統(tǒng)中引入超疏水材料可以使電池效率和耐久性得到改善。Lifton 等開(kāi)發(fā)了一種基于納米超疏水材料的新型電池。碳納米管的超疏水性可以促使移除在電極反應(yīng)中產(chǎn)生的水,從而提升系統(tǒng)中的傳質(zhì)過(guò)程,進(jìn)而有效提高燃料電池效率。2.