超疏水旋转圆盘气膜层减阻的实验研究

在冯卡门旋流中,对均匀超疏水表面与网纹超疏水表面在雷诺数Re~O（105）量级上的减阻性能与表面气膜状态进行了实验观测。2种超疏水表面均使用物理喷涂法在有机玻璃板上喷涂纳米疏水颗粒制备。网纹超疏水表面制备时增加了丝网掩模的步骤,因此其表面增加了毫米级网格纹理。实验结果表明:对于冯卡门旋流中的超疏水表面减阻而言,存在一个临界雷诺数Re_c,当Re < Re_c时,超疏水表面具有稳定的减阻效果,减阻率高达30%;当Re>Re_c时,减阻效果随Re的增加快速丧失。相较均匀超疏水表面,网纹超疏水表面可以有效提高其表面附着的气膜层的动态稳定性。此外,可通过主动补气的方式有效恢复网纹超疏水表面气膜层,进而恢复减阻效果,这将为超疏水表面实现可持续的减阻提供新的技术方案。     

表面微纳结构对气-水界面稳定性和流动减阻的影响

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。     

疏水微槽道内层流减阻的实验研究

研究了光滑和带有横向凹槽结构的疏水微槽道内层流的流动特性和表面滑移效应.在硅片上加工了矩形截面微槽道,利用十八烷基三氯硅烷(octadecyltrichlorosilane OTS)在槽道内壁形成疏水薄膜.实验结果表明在光滑疏水微槽道内的水流压降比无滑移条件下的理论值减少8%.对于侧壁带有凹槽结构的疏水微槽道,流动阻力可以降低10%~30%.笔者采用micro-PIV测量得到的壁面表观滑移速度约为槽道中心速度的8%,滑移长度约为2 μm.实验结果与滑移壁面条件下三维槽道内层流的解析解吻合,同时得到了带有凹槽结构的疏水微槽道内的流速分布.     

脊状表面航行器模型减阻特性的水洞实验研究

通过水洞实验研究具有横流方向的脊状表面航行器的阻力特性.运用三分力天平,分别对光滑表面航行器模型和脊状表面航行器模型在零迎角、不同水速下进行阻力测试,得到其减阻特性曲线.实验结果表明,脊状表面航行器模型具有很好的减阻效果,减阻量与脊状结构的特征尺寸、间距以及来流速度有密切关系.在实验工况内,最大减阻量达到11.7%.     

非离子表面活性剂在水流中的减阻机理

为探讨非离子表面活性剂的减阻机理,在实验确认表面活性剂APG水溶液(Alkyl Polyglucoside)具有湍流减阻功效的基础上,对其剪切粘度、应力松弛特性以及剪切双折射效应,使用锥板流变仪及流动双折射测试仪进行了实验研究.最大减阻率可达70%的APG水溶液,其剪切粘度在低剪切速率区域表现为牛顿流体特性,在大于临界剪切速率区域表现为“SIS”(Shear-Induced Structure),呈现非牛顿流体特性;APG水溶液的剪切应力松弛特性与纯水基本相似,表明“SIS”并不具有粘弹性特性.由剪切双折射效应证实的的棒状胶束聚合结构和具有的较大拉伸粘度可认为是APG水溶液能够实现湍流减阻的主要原因.     

沟槽超疏水复合壁面湍流边界层减阻机理的TRPIV实验研究

利用TRPIV实验分别测量了湍流边界层在亲水壁面、超疏水壁面以及沟槽超疏水复合壁面上的瞬时速度场,对比分析了3种壁面的摩擦阻力,发现沟槽超疏水复合壁面的减阻率能够达到20.7％,而超疏水壁面只有14.6％.通过对比分析湍流边界层在3种壁面上的湍流脉动强度,发现法向湍流脉动强度在3种壁面上无明显变化,而在y+<150区域...     

基于非光滑表面的直升机尾舱门减阻技术

为了研究凹坑形非光滑表面的减阻效果与流动控制机理,将半球形凹坑单元布置在直升机尾舱门外表面。采用基于k-ω剪切应力输运模型(k-ω shear-stress-transport,k-ω SST)的计算流体力学(Computational fluid dynamics,CFD)方法,对比分析了非光滑表面机身和光滑表面机身的阻力特性、后体局部流场和表面压力分布。根据凹坑单元内局部流场和压力分布的分析结果,得到了凹坑形非光滑表面的减阻机理:凹坑单元内形成的低速漩涡,能够延缓机身后体流动分离;半球形的凹坑造型和基本恒定的压力分布,可减小对阻力直接做出贡献的低压区面积,两者的共同作用降低了直升机阻力。     

非牛顿流体在正弦波壁管内的减阻特性

通过添加高分子表面活性剂来有效降低流动阻力在水处理和石油开采等行业中具有重要的现实意义.实验研究了聚丙烯酰胺聚合物(PAM)溶液在正弦波壁管内的减阻特性.研究发现,PAM溶液在层流区域具有明显的减阻作用,在湍流区域却不是很明显;同时在波壁管内存在一个PAM的最佳减阻浓度.另外,通过 f-Re曲线发现PAM溶液的过渡域转捩点比牛顿流体明显提前,流动可视化结果验证了上述结论;应用Fluent进行数值模拟得到的数值结果与实验基本吻合.     

不同微结构超疏水表面的光热防除冰特性（英文）

超疏水光热防除冰表面作为一种新兴的防除冰手段，在防除冰领域具有巨大的应用潜能。本研究通过数值模拟和物理实验相结合的手段研究了不同微结构超疏水表面的光热防除冰特性。基于有限元模拟，得到了纳米颗粒的粒径、种类、体积分数、涂层厚度及微纳复合结构表面的结构参数对表面光热转化效率和升温效果的影响。另外，考虑了微柱和微锥两种微纳复合结构，数值结果表明微纳复合结构具有更好的光热特性，微锥结构的光热特性最好。同时，详细讨论了微结构尺寸参数，如特征尺度和高宽比，对表面吸收率与光热转化效率的影响。光照升温和融冰试验结果表明制备的超疏水光热表面能够实现高效的光热转化和防除冰功能，最优结构的表面在一个太阳光照条件下的温升可以达到45℃。本研究的研究工作可以为防除冰材料的优化设计提供参考。     

覆盖多孔介质的圆柱减阻特性和机理研究

多孔材料由于其独特的孔隙结构,可用于声学降噪以及流动控制领域。首先,采用大涡模拟（Large eddy simulation,LES）方法,开展了亚临界雷诺数条件下有、无覆盖多孔介质的圆柱绕流数值计算;其次,对比了两种不同工况的升、阻力系数大小,分析多孔介质的减阻控制效果;最后,结合气动力以及流场结构变化,揭示出多孔介质的减阻控制机理。研究结果表明：雷诺数为5.6×10⁴,圆柱表面后缘处铺设位置角为270°的多孔介质时,减阻效果可达到8.53%。由于多孔介质表面具有渗透性,一方面可提高多孔-流体交界面处的滑移速度,稳定圆柱表面的分离剪切层,降低涡脱落频率;另一方面,流体穿过多孔介质可产生类似微射流的作用效果,增强分离区圆柱表面的压力,降低圆柱上下游的压力差,从而显著减小圆柱表面的总阻力。