湍流狀態下超疏水表面流場減阻特性數值仿真研究

宋 東， 胡海豹， 宋保維

（西北工業大學 航海學院，陜西 西安710072）

0 引 言

超疏水表面（Superhydrophobic surface）是指其上液滴的表觀接觸角大于150°的固體表面，在防水、防污染、防氧化、自清潔等多種領域具有廣闊的應用前景，超疏水表面減阻因其巨大的潛在應用價值，近幾年引起人們越來越多的關注。影響疏水表面疏水性的因素主要有表面能和微觀形貌兩方面，而僅僅依靠表面能的光滑疏水表面，根據理論推導最大接觸角只能達到120°［1］。要解釋自然界中的超疏水現象，還要考慮微觀形貌的影響。為此，Cassie等在 Wenzel提出的粗糙表面接觸模型的基礎上提出了氣／液接觸模式的Cassie模型［2－3］，其理論模型如圖1所示。

圖1 Wenzel模型和Cassie模型示意圖Fig.1 Schematic diagram of Wenzel and Cassie Model

對超疏水表面，由于表面微結構內部駐留氣體，使流體流經疏水表面時實際固／液接觸面積減小，降低了表面的粘性阻力，從而產生減阻效果［4］。Ou J.等［5］對微脊超疏水表面微通道流動進行了數值模擬，發現微脊空隙的增加和微通道寬度的減少，將減少無量綱壓降比，減弱滑移效果，并且在自由剪切面處獲得了大于主流平均速度60%的滑移速度，但是滑移速度對流動的影響不會向遠離壁面處擴展。李健等［6］根據固／液界面的復合接觸模式，考察了液體在光柵疏水表面上的流動，數值模擬得到了管道內流體的速度分布、壓強分布和減阻情況，計算結果表明，流體在光滑與光柵疏水表面構成的管道中的壓強分布存在一定差異，光柵疏水表面具有一定的減阻性能。……