微納二級結構超疏水表面湍流減阻機理的TRPIV實驗研究.pdf

1、本文采用高時間分辨率粒子圖像測速系統(TRPIV)，在低速循環(huán)式水槽中，對微-納二級結構超疏水壁面湍流邊界層相干結構控制及超疏水壁面的湍流邊界層減阻機理進行實驗研究。
　　首先使用單個高速相機和高頻脈沖激光片光源組成的TRPIV系統，在低速循環(huán)式水槽中，以高時間分辨率,在三個不同流速（雷諾數）下，分別測量普通光滑壁面和微-納二級結構超疏水壁面零壓力梯度平板湍流邊界層瞬時流向-法向速度場的時間序列，并在每個流速（雷諾數）下獲得兩組共

2、13092個瞬時速度矢量場時間序列樣本。
　　然后對每個流速（雷諾數）的二維瞬時速度場進行時間平均，分別得到每個流速（雷諾數）的普通光滑壁面和超疏水壁面湍流邊界層平均速度空間分布云圖；然后再對平均速度空間分布云圖進行流向空間平均，分別得到每個流速（雷諾數）的普通光滑壁面和超疏水壁面湍流邊界層無量綱平均速度剖面；然后以平均速度剖面中的壁面摩擦速度作為未知參數，用牛頓迭代法，擬合出普通光滑壁面和超疏水壁面湍流邊界層平均速度剖面的壁面摩

3、擦速度，并由此計算壁面摩擦系數、壁面摩擦切應力等粘性內尺度參數，分析超疏水材料表面湍流邊界層的減阻率。通過對比發(fā)現，超疏水壁面增加了對數律區(qū)以下區(qū)域的平均流速。利用壁面摩擦系數得到超疏水壁面減阻率，并在低雷諾數下證實超疏水壁面獲得了10.58％的減阻效果。對比三組不同雷諾數發(fā)現，隨著雷諾數的增大，減阻率逐漸降低。
　　將湍流多尺度相干結構的理論引入超疏水壁面湍流邊界層減阻機理的研究。對三個不同雷諾數下普通光滑壁面和超疏水壁面湍流邊

4、界層瞬時流向脈動速度場進行空間多尺度分解，分解為不同空間尺度的局部平均速度結構函數，以瞬時流向脈動速度的空間局部平均結構函數作為特征量，以瞬時流向脈動速度的空間局部平均結構函數過零點作為檢測準則，結合新象限分裂法，檢測并提取了超疏水壁面及光滑壁面湍流邊界層不同法向位置處的相干結構在噴射和掃掠過程中流向脈動速度、法向脈動速度、展向渦量等物理特征的空間拓撲形態(tài)。從壁湍流相干結構猝發(fā)控制的角度，分析了微-納二級結構超疏水壁面湍流邊界層的減阻機