親水?超疏水相間表面通氣減阻實驗研究1)

郭沛洋 張 毅 張夢卓 胡海豹,?,

* (西北工業大學航海學院,西安 710072)

? (西北工業大學深圳研究院,廣東深圳 518063)

引言

水下超疏水表面利用微結構的低表面能及其對氣體的親和性能夠在其表面形成一層氣膜,從而在表面產生流動滑移,可以起到良好的減阻效果[1-10].Ghaemi[11]利用PIV 對湍流狀態下有無氣膜存在的超疏水涂層表面流場進行了測試,結果表明當氣膜穩定存在時,會產生明顯的壁面滑移與最大15%的減阻.Busse 等[12-14]分別進行了理論推導、數值模擬和實驗研究,結果均表明隨氣膜厚度增加,超疏水表面減阻率增大,最大減阻率達到了30%.大量文獻表明[15-18],超疏水表面氣膜層的穩定性、均勻性是直接影響到減阻效果的關鍵因素.

在湍流狀態下,高流速帶來的水流剪切、壓力脈動等[19-20]因素會造成超疏水表面氣膜遭到破壞甚至流失,導致減阻效果降低,甚至增阻.因此,如何在超疏水表面維持穩定的氣液界面,是目前亟待解決的技術瓶頸.

近年來大量學者研究表明,通過表面修飾與外部補氣的方法均能有效維持超疏水表面氣液界面的穩定性[21-24].Jagdish 等[17]將低表面能修飾與激光雕刻技術結合,在平板表面加工出了特殊的疏水微結構,實現了一定條件下大尺度氣膜的駐留,并觀測到了減阻效果.Wang 等[25]在疏水表面布置展向肋條結構,肋條間隙中存在穩定的氣體駐留,最終在表面實現了13%的穩定減阻.Monfared 等[26]、Abu Rowin等[27]和馮家興等[28]研究了流向溝槽與超疏水表面耦合的復合表面,并在輔以外部通氣的情況下,測試了湍流狀態下復合表面的氣膜形態與阻力特性.結果表明外部通氣是長期維持超疏水表面氣膜層的有效方式,且溝槽結構有利于在較高雷諾數下束縛氣膜、增強減阻效果.減阻率隨溝槽無量綱化寬度呈現出先增后減的趨勢,最高達到了約50%的減阻效果.

然而,這些特殊表面的加工構建較為復雜,且減阻率受表面結構與流動狀態的影響較大.對此,胡海豹等[29]提出了一種親水?超疏水相間的潤濕階躍結構,實現了在切向水流作用下大尺度氣膜的封存,并得到了最大25%的滑移速度.隨后,他們[30]在轉子表面構建了這種潤濕階躍結構,在圓柱表面實現了氣環的穩定封存,在1400 雷諾數范圍內獲得了超過70%的穩定減阻量.

上述研究證實了親水?超疏水相間的結構用于氣體封存與表面減阻的優勢,并且在轉子裝置上取得了較好的效果.然而實驗雷諾數范圍較窄,缺乏湍流條件下的減阻特性.此外,對于更具有實用意義的平板表面,相應的減阻規律尚缺乏研究,亟需對其開展進一步研究,從而彌補當前工作的不足.為此,本文探索了在湍流管道流動中,親水?超疏水相間表面與外部通氣方法結合實現表面氣膜層的維持與減阻效果增強的可行性,并從超疏水條帶寬度和雷諾數兩方面分析了其影響氣膜形態和減阻規律變化的原因.

1 實驗裝置與方法

實驗管道系統主要包括上水箱、下水箱、水泵、測壓系統、供氣系統等(如圖1).其中上下水箱尺寸為1170 mm×1720 mm×480 mm,高度差為3750 mm,通過水泵和溢流管道連接,依靠水的重力驅動水流產生速度.實驗段總長度為1750 mm,全程采用有機玻璃制成,管道內截面尺寸為20 mm ×60 mm.在實驗段初始位置上壁面處開有直徑為0.5 mm的通氣狹縫,狹縫內部連接多孔石墨板,以實現氣體進入管道時沿展向的均勻分布,狹縫外部連接供氣氣缸進行通氣,供氣氣缸直徑160 mm,推程1 m,由交流伺服電機和滾珠絲杠來精細驅動;實驗段上蓋板為可拆卸設計,長度為1500 mm,對其進行超疏水表面噴涂處理;實驗段兩端側壁開有內徑為6 mm的測壓孔用于測量壓降,壓力傳感器采用ENBBON公司的EB3351N-DD2S1M501B3 型號差壓變送器,量程為0～1500 Pa,輸出信號為1～5 V,非線性誤差為 ±0.2%;實驗段后端與液體渦輪流量計相連接,測量范圍為0.8～15 m3/h;在渦輪流量計之后連接有DN32 的球閥,用于調節來流速度.

圖1 實驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental apparatus

實驗采用UltraTech 公司生產的商用超疏水涂層(ultra-ever dry)進行表面超疏水處理,涂層分為底漆和面漆.底漆用來增加表面黏著力,面漆可以在物體表面形成微結構,從而產生超疏水效果.實驗時,采用氣動式高壓噴嘴,保證涂層霧化效果.

為了實現親水?超疏水相間表面,首先對實驗段有機玻璃進行底漆的噴涂;靜置至少1 h 后,用寬度為1.0 mm 的美紋紙膠帶對有機玻璃進行貼膠,膠帶的間距即為超疏水條帶的寬度;再噴涂面漆,最后撕掉美紋紙即可得到不同超疏水條帶寬度的親水?超疏水相間表面,如圖2(a)所示.在200 倍放大的圖像下,如圖2(b)所示,親水部分顯示為致密板塊,沒有百微米級別的孔洞微結構;如圖2(c)所示,超疏水部分多了更多百微米級的孔洞.經測試,水滴在該超疏水涂層表面接觸角超過160°,滾動角小于1°;在親水底漆表面接觸角為82° ± 3°.

圖2 親水?超疏水相間表面圖Fig.2 Figure of hydrophilic and alternated superhydrophobic surfaces

具體實驗參數取值范圍如表1 所示,其中Re為管道流動雷諾數,以管道水力直徑為特征長度,平均流速為特征速度;Q為通氣速率;s為超疏水條帶寬度,對應的親水條帶寬度固定為1.0 mm.

表1 實驗參數取值范圍Table 1 Range of experimental parameters

通過兩測壓孔的壓降定義減阻率DR,計算公式如下

其中,ΔP1表示光滑親水平板測得的壓降;ΔP2表示在相同流速下,實驗表面上測得的壓降.

2 結果與分析

2.1 條帶寬度對減阻的影響

為了研究超疏水條帶寬度對親水?超疏水相間表面減阻的影響,這里詳細測試了4 種典型超疏水條帶寬度(對應的親水條帶寬度均為1.0 mm)在一系列不同雷諾數(Re=1.4×104～4.9×104)下的減阻效果.圖3 為親水?超疏水相間表面壓降隨雷諾數的變化曲線,其中“hydrophilic surface”曲線為未經任何處理的親水表面上的壓降.可以發現,與親水表面類似,親水?超疏水相間表面壓降與雷諾數呈近似二次方關系.當超疏水條帶寬度不超過4.0 mm 時,親水?超疏水相間表面壓降與親水表面壓降差異不大,且在部分雷諾數下高于親水表面的壓降曲線,表現為增阻效果;而當超疏水條帶寬度達到5.0 mm 及以上時,壓降曲線整體下移,親水?超疏水相間表面產生相對于親水表面較為明顯的減阻效果.

圖3 壓降隨雷諾數變化曲線(通氣速率Q=0.0 mL/s)Fig.3 The variation curve of pressure drop with Reynolds number(ventilation rate Q=0.0 mL/s)

圖4 為親水?超疏水相間表面減阻率隨雷諾數和條帶寬度的變化曲線,圖4(a)與圖4(b)分別對應較低(Q=4.0 mL/s)與較高(Q=16.0 mL/s)通氣速率.圖中所有氣膜形態對應的來流方向均為由左向右,拍攝視角位于實驗平板的側下方,圖中氣膜采用紅色虛框標出.從圖4(a)可以看出,在較低通氣速率時,表面減阻率隨超疏水條帶寬度的增加呈現出先增后減的趨勢.在較低雷諾數下,條帶寬度5.0 mm,6.0 mm 的表面減阻率較高,達到了最高約35%,明顯高于條帶寬度為3.0 mm,4.0 mm 表面的減阻率.隨著雷諾數的增加,不同條帶寬度實驗板的減阻率都隨之降低,雷諾數增加到約3.6×104時,在3.0 mm 與4.0 mm 條帶寬度表面減阻效果完全消失,隨著雷諾數的進一步增大會產生增阻;而5.0 mm,6.0 mm 超疏水條帶寬度的實驗板沒有測到增阻.結合圖4(b)及對應的氣膜圖可以看出: 在超疏水條帶寬度較小時,親水?超疏水相間表面的氣膜層沿條帶分布;隨著超疏水條帶寬度增加至5.0 mm,氣膜層變為連續的片狀結構;隨著超疏水條帶寬度的進一步增加,親水?超疏水相間表面對氣體的封存、鋪展的效果變差,實驗板表面易產生較厚、較為不均勻的氣膜,從而使得減阻性能降低.

圖4 減阻率隨雷諾數及超疏水條帶寬度變化Fig.4 The variation of drag reduction rate with Reynolds number and the width of the superhydrophobic bands

由圖4(b)可以看出,在固定通氣量時,親水?超疏水相間表面減阻率隨雷諾數增加呈現出先降低,后波動的趨勢.在所有流速范圍內,5.0 mm 和6.0 mm超疏水條帶寬度的實驗板減阻效果均明顯優于3.0 mm 和4.0 mm 超疏水條帶實驗板.且當雷諾數增大時,5.0 mm 與6.0 mm 實驗板的減阻效果已相差不大,減阻率在15%左右波動.

圖5 為超疏水條帶寬度s=4.0 mm,通氣速率Q=4.0 mL/s,不同雷諾數下的氣膜形態,圖中反光的部分對應為氣膜層.圖5 中,親水?超疏水相間表面在外界少量補氣(Q=4.0 mL/s)的情況下,在雷諾數較低時(Re=1.4×104)氣膜完全按照條帶進行劃分,產生了穩定的條帶狀氣膜,產生了較好的減阻效果;圖5(b)中,雷諾數增大到了3.6×104,因高流速帶動了氣膜層隨之發生變化,氣膜形態與低流速相比不再均勻、穩定,而是產生了較大程度的波動,且在水流的連續作用下,外界補充的氣體有的直接以氣泡形式流走,有的則隨機附著在實驗板上,還會出現氣膜斷裂并隨水流流走的現象,使得減阻率產生降低與波動.

圖5 親水?超疏水相間表面氣膜鋪展狀態(s=4.0 mm)Fig.5 The spreading state of gas film on hydrophilic and alternated superhydrophobic surfaces (s=4.0 mm)

2.2 通氣速率對減阻的影響

為了研究通氣速率對親水?超疏水相間表面減阻效果的影響,這里詳細測試了不同條帶寬度在一系列不同通氣速率下的減阻情況.圖6(a)為超疏水條帶寬度s=6.0 mm 時,不同通氣狀態下表面減阻率隨雷諾數的變化曲線.可以發現,在不通氣的狀態下(Q=0.0 mL/s),親水?超疏水相間表面存在著一定的減阻效果,且隨著雷諾數的增加,表面減阻效果逐漸減弱.相對于不通氣的狀態,在通氣狀態下,親水?超疏水相間表面的減阻效果整體有所增強.在雷諾數較小的情況下,大通氣速率體現出了更好的減阻特性,整體減阻效果隨著通氣速率的增加而增加,最高達到了34.2%.而對于較高雷諾數的流動狀態,當通氣速率增到約8.0 mL/s 后,減阻率也達到峰值,此后,再增大通氣速率,減阻率反而有所下降.

圖6 減阻率變化曲線與典型氣膜形態Fig.6 drag reduction curve and typical gas film morphology

圖6(b)為3 種不同通氣速率(Re=3.6×104)下親水?超疏水相間表面的氣膜形態,其中來流方向均為由左向右,(I)和(II)的拍攝視角位于實驗平板的側下方,主要體現氣膜的整體形態;(III)的拍攝視角位于實驗平板的側方,主要體現氣膜的厚度及波動,圖中氣膜采用紅色虛框標出.可見,通氣速率Q=0.0 mL/s 時,在高速水流剪切作用下,超疏水表面氣膜逐漸流失,當氣液界面穩定后,實驗表面上氣膜較薄;隨著通氣速率的增加至Q=4.0 mL/s 時,與不通氣的狀況相比,較少的通氣量使得氣膜仍然可以在實驗板上均勻鋪展,且相比于不通氣的狀態,氣膜厚度有所增加,因而整體減阻率略微提升.此外,主動補充的氣體在進入試驗段后附著在實驗板表面,氣體隨著超疏水條帶的引導均勻鋪展在實驗板上,這說明親水?超疏水相間表面有利于氣膜的均勻鋪展.實驗板的超疏水條帶上形成完整均勻的氣膜層,此時氣膜為片狀結構,在親水與超疏水條帶上均勻覆蓋,且氣液界面隨時間變化波動較小,主動的通氣能夠及時補充流失的氣體,說明親水?超疏水相間表面對氣膜有一定的維持與穩定作用;而當通氣速率進一步增加至16.0 mL/s 時,整個表面已被完整的氣膜層包覆,氣膜層因過多的氣體產生波動,變得不穩定,減阻率反而降低.上述通氣速率變化下表面氣膜形態的變化情況,也解釋了圖6(a)中減阻效果產生差異的原因.

上面所述的實驗現象,很好地驗證了人工通氣對于維持親水?超疏水相間表面的氣液界面穩定性具有較好的效果,但同時,人工通氣時對不同流速下通氣量的合理把握也是維持氣液界面穩定性的一個重要的因素.在某一流速下,通氣量過大或者過小都無法達到形成具有穩定減阻效果的氣膜層的目的.

此外,在高流速和低通氣量的狀態下,會出現類似圖7(a)的現象: 因高流速帶來的氣體流失,使得原本均勻穩定的氣膜層遭到一定程度的破壞,大部分以氣泡的形式直接被水流沖走,且主動通入的氣體也由于流動的高剪切作用,無法很好地附著在實驗板的超疏水表面上,這導致在親水?超疏水相間表面上的氣膜分布不均勻、不連續,流失氣泡的大小、形狀和位置均分布不規律,從而導致減阻率的降低.而在高流速、高通氣量的流動條件下,如圖7(b)所示,實驗板的親水?超疏水相間條帶已經幾乎失去了劃分的作用,氣膜以整體的片狀形態存在,且主動通入的氣體在剛進入實驗段時就已經形成了空腔,且這種流動狀態下,氣膜層厚度變得較大,整個實驗板,包括親水條帶部分都不與水直接接觸,此時氣膜作用下的減阻與氣膜不均勻鋪展的增阻效應同時存在,致使減阻效果不佳.

圖7 高流速下的氣膜形態Fig.7 gas film morphology at high flow rate

3 結論

本文開展了不同流速、不同超疏水條帶寬度下親水?超疏水相間表面減阻規律的實驗研究,通過分析對比實驗數據得出其減阻規律,主要結論如下.

(1)親水?超疏水相間表面持續通氣能解決表面氣膜層的流失問題,有效維持親水?超疏水相間表面氣膜層和減阻性能,且對于一定的流動狀態,存在使得減阻效果最好的通氣速率.

(2)在通氣狀態下,隨超疏水條帶寬度的增大,親水?超疏水相間表面減阻率先增后減.在條帶寬度s=5 mm,通氣速率Q=16.0 mL/s,雷諾數Re=1.4×104時得到最佳減阻率為40.2%.

(3)親水?超疏水相間表面是否存在有完整均勻穩定的氣膜層直接影響了其減阻效果,其減阻效果隨流速增大而減小.在超疏水條帶寬度不超過4.0 mm,且雷諾數超過3.6×104時產生增阻.

此外,受實驗裝置的限制,論文未測試出實驗表面通氣狀態下邊界層流場及更高雷諾數下親水?超疏水相間表面阻力特性,相關研究仍有待進一步深入.