疏水性微溝槽液動減阻的仿真分析及其實驗研究.pdf

1、在多種表面減阻技術(shù)中,有疏水效應(yīng)的壁面微溝槽的減阻技術(shù)有著突出優(yōu)點:易加工、低成本、不額外耗能、不對使用載體產(chǎn)生附加設(shè)備等。雖然該減阻技術(shù)在管道輸送和艦艇減阻等方面獲得了一定應(yīng)用,但其減阻機理仍不明晰。鑒于疏水性是疏水性微溝槽減阻的必要條件,論文首先用Fluent仿真驗證了所選尺寸下的V形、鋸齒形、圓頂形和矩形微溝槽表面的疏水性,然后進一步仿真分析了其減阻特性及其減阻機理,并對微溝槽的疏水特性進行了實驗驗證。
　　首先,選取四種微

2、溝槽的形狀為V形、鋸齒形、圓頂形和矩形,并統(tǒng)一選取特征尺寸為30μm。用Fluent的VOF(VolumeofFluid)方法仿真分析了其對液滴的浸潤性,并分析了液滴直徑、降落速度等因素對壁面微溝槽浸潤性的影響。仿真結(jié)果表明:上述微溝槽均有良好的疏水性,其中V形和鋸齒形微溝槽表面還獲得了超疏水性。仿真驗證了疏水性微溝槽減阻的前提條件,即疏水性。
　　其次,在仿真驗證微溝槽疏水性的基礎(chǔ)上,論文建立了上述四種微溝槽的流場計算域模型,優(yōu)

3、化了網(wǎng)格劃分、邊界條件選取、計算模型應(yīng)用等環(huán)節(jié),選取不同速度區(qū)間進行了流體動力學(xué)仿真。仿真結(jié)果表明:在不同速度區(qū)間,上述四種微溝槽的減阻率大小順序不同,表明特定形狀的微溝槽有其最佳的減阻速度區(qū)間。另外,為探究微溝槽的結(jié)構(gòu)參數(shù)對其減阻率的影響,論文對不同間距、槽寬、頂角、高度等結(jié)構(gòu)參數(shù)的四種微溝槽進行了減阻仿真。仿真結(jié)果表明:在相同速度條件下,特定形狀微溝槽的結(jié)構(gòu)參數(shù)對其減阻率起著決定性影響,當結(jié)構(gòu)參數(shù)超出相應(yīng)極限值時,微溝槽將失去減阻效

4、應(yīng),并出現(xiàn)增阻現(xiàn)象。
　　再次,在上述仿真結(jié)果的基礎(chǔ)上,論文從速度梯度、湍流結(jié)構(gòu)、剪切應(yīng)力、流場動能等方面對疏水性微溝槽的減阻機理進行了闡釋。論文認為微溝槽結(jié)構(gòu)的存在減小了流體的橫向波動,減小了湍流猝發(fā)強度,使微溝槽壁面流場的速度梯度降低,從而減小了流體對壁面的剪切力,進而實現(xiàn)了減阻。
　　最后,加工了不同間距的矩形微溝槽陣列,并用OCA20視頻光學(xué)接觸角測量儀測量了蒸餾水在其表面的接觸角,分析了系列微溝槽表面的接觸角變化,