超疏水旋轉(zhuǎn)圓盤氣膜層減阻的實驗研究

陳正云張清福潘翀劉彥鵬蔡楚江

1．上海外高橋造船有限公司,上海 200137;2．北京航空航天大學(xué) 航空科學(xué)與工程學(xué)院,北京 100191;3．北京航空航天大學(xué)寧波創(chuàng)新研究院 先進飛行器與空天動力技術(shù)創(chuàng)新研究中心,浙江 寧波 315800

0 引 言

在全球氣候變化加劇、節(jié)能減排需求大增的背景下,如何減少水下及水面船只、艦艇的航行阻力從而提高能量利用率變得愈發(fā)重要[1-2]。對摩擦阻力占總阻力的50%～70%的水下/水面航行體而言,降低其湍流邊界層的摩擦阻力是減阻的主要任務(wù)[3]。水下/水面航行體繞流湍流邊界層的特征雷諾數(shù)很高、流動特性復(fù)雜且影響因素眾多,傳統(tǒng)的減阻流動控制技術(shù)主要為壁面微抽吸、柔性壁面、壁面溝槽[4-6]、高分子聚合物[7-8]等[3,9]。近年來,具有表面滑移特性的超疏水材料,被證實具備減少流動摩擦阻力的能力,因此受到廣泛關(guān)注[1-2,10-13]。

超疏水表面通過減小液滴與固壁的接觸角滯后來提高液滴的滾動性。在Cassie-Baxter狀態(tài)下,超疏水表面的微結(jié)構(gòu)及較低的表面能會使其在固-液界面中間形成一層很薄的氣膜層,此時流動摩擦阻力的減少主要來自于介質(zhì)替換,即將壁-液接觸面替換為氣-液接觸面,水在氣膜層上方滑移,僅只受到較小的阻力,在宏觀上表現(xiàn)為一定的滑移長度。大量研究表明,Cassie-Baxter狀態(tài)下的氣膜層處于亞穩(wěn)態(tài)[11,14-17],氣膜層會受到流體剪切、湍流脈動、壓力和氣體溶解度等因素的影響而逐漸脫附,最終變成表面被完全浸潤的Wenzel狀態(tài),由此喪失減阻效果,甚至因為表面微結(jié)構(gòu)引起的額外粗糙度而增加阻力。因此,如何提高氣膜層的穩(wěn)定性、延緩氣膜的脫附,成為制約超疏水表面減阻技術(shù)走向?qū)嶋H工程應(yīng)用的一個重要瓶頸問題。

已有研究表明,通過超疏水表面微結(jié)構(gòu)的形貌設(shè)計[2,18-21]、表面加工工藝的改變[22]以及主動(或半主動)補氣[23-27]等方式,可以有效的提高氣膜穩(wěn)定性,從而延緩減阻效果的消失,甚至進一步提高減阻效果。但是,大多數(shù)的氣膜穩(wěn)定性研究是在靜態(tài)或者較低的流動雷諾數(shù)下進行的,針對較高雷諾數(shù)條件的氣膜穩(wěn)定性的研究還相對較少。本文將在馮卡門旋流(Von Kármán swirling flow)中實驗研究雷諾數(shù)對超疏水旋轉(zhuǎn)圓盤減阻特性的影響,實驗的雷諾數(shù)在105量級。進一步的,將在臨界失效狀態(tài)下,通過脈沖通氣的方式來研究超疏水表面形貌對氣膜穩(wěn)定性的影響以及氣膜層恢復(fù)到Cassie-Baxter狀態(tài)的能力。

1 實驗方法與設(shè)備

下面對實驗裝置、超疏水表面制備工藝和實驗方案分別進行說明。

1.1 馮卡門旋流實驗臺

實驗選擇馮卡門旋流作為背景流場,其在自然界與工業(yè)中較為常見,也是流體力學(xué)基礎(chǔ)研究中的一個重要的簡化模型[28]。馮卡門旋流由兩個法向間距H、分別以Ω和Γ的恒定轉(zhuǎn)速對心旋轉(zhuǎn)的無限大圓盤產(chǎn)生[28-32]。旋轉(zhuǎn)流動由旋轉(zhuǎn)圓盤通過黏性驅(qū)動[29],流體反作用于旋轉(zhuǎn)圓盤的總扭矩T反映了圓盤所受的總摩擦阻力。據(jù)此可精確測量出旋轉(zhuǎn)圓盤的平均摩擦阻力系數(shù)Cf(Cf＝T/ρΩ2r5,其中,T為扭矩,ρ為流體密度,r為旋轉(zhuǎn)圓盤半徑,Ω為圓盤的旋轉(zhuǎn)角速度)。通過改變轉(zhuǎn)速即可改變馮卡門旋流的特征雷諾數(shù)Re(Re＝Ωr2/ν,其中ν為流體的運動黏度)。

在實際模擬中,旋轉(zhuǎn)圓盤只有有限尺寸,且一般采用靜盤加轉(zhuǎn)盤的組合方式。Brady和Durlofsky研究了馮卡門旋流存在的兩種有限圓盤近似解,分別為圓柱形水槽半徑大于兩倍旋轉(zhuǎn)圓盤半徑的開放流場和旋轉(zhuǎn)圓盤與水槽半徑相當(dāng)?shù)姆忾]流場[28]?？紤]到側(cè)邊界條件對穩(wěn)態(tài)流場有較大影響,本文選用開放流場作為背景流動,實驗裝置如圖1所示,其包含一個半徑R＝300 mm、高h(yuǎn)＝300 mm的圓柱形亞克力水槽,水槽上端安裝壓水板以消除自由液面的影響;一個厚度6 mm、半徑r＝150 mm(r＝)的有機玻璃圓盤作為旋轉(zhuǎn)盤。旋轉(zhuǎn)盤距離水槽底部H＝180 mm(r/H＝0．83),距離水槽頂部壓水板下表面70 mm,水槽底部作為靜盤使用。

圖1 實驗裝置Fig.1 Experimental facility diagram

旋轉(zhuǎn)盤由一套伺服驅(qū)動系統(tǒng)進行控制驅(qū)動,組件包括最大扭矩為15 N·m且平均轉(zhuǎn)速精度為0．2%的伺服電機(一川130ST-M15015)、驅(qū)動器(一川A1-SVD-30A)和控制器(奕標(biāo)DKC-Y110),通過調(diào)整控制器的脈沖頻率進行轉(zhuǎn)速控制。圓盤扭矩由量程為1 N·m、精度為0．001 N·m的扭矩傳感器(INTARFACE T2-1-A1A)進行測量,其通過軟式彈簧聯(lián)軸器與上下端轉(zhuǎn)軸相連,搭配使用數(shù)據(jù)采集卡(耐創(chuàng)FC-DAQ)進行實時采集,采樣頻率為2000 Hz。對測量得到的扭矩時序信號進行銳截距濾波,濾除超過旋轉(zhuǎn)頻率的高頻信號,只保留低頻大尺度成分。測量得到的平均扭矩需要扣除軸承、聯(lián)軸器等帶來的附加扭矩,后者可由圓盤在空氣中以相同轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)受到的扭矩來近似。在進行脈沖通氣實驗時,通過增氧泵(藍(lán)寶AP-120)連接4個圓柱形氣石進行補氣,增氧泵由繼電器進行可編程的開閉控制,氣石放置在轉(zhuǎn)盤正下方。

本文實驗中,伺服電機轉(zhuǎn)速在Ω＝60～270 r/min范圍內(nèi)可調(diào),對應(yīng)的特征雷諾數(shù)在Re～O(105)量級。由下文可知,在此雷諾數(shù)范圍內(nèi),馮卡門旋流從層流向湍流轉(zhuǎn)捩。

1.2 超疏水材料制備

本文實驗采用物理噴涂法制備超疏水表面。制備示意圖如圖2(a)所示,首先在光滑的有機玻璃平板上均勻噴涂丙烯酸酯樹脂作為基底粘附層,然后噴涂經(jīng)全氟癸基三乙氧基硅烷處理后的納米SiO2顆粒,形成具有微-納二級粗糙度的表面微結(jié)構(gòu)層,從而得到超疏水表面。該方法由于噴涂了丙烯酸酯樹脂粘附層,其制備的超疏水表面具有良好的機械強度和穩(wěn)定性[22]。經(jīng)動態(tài)接觸角測試儀(軒軼創(chuàng)析XGCAMC33)測量,所制備的超疏水表面平均接觸角為153．8°,滾動角為1．8°,滿足超疏水表面接觸角大于150．0°,滾動角小于10．0°的要求。除圖2(a)所示的均勻超疏水表面(下文簡稱SHS＃1)外,還采用絲網(wǎng)掩模壓印法(如圖2(b)所示)制備了網(wǎng)格狀的非均勻超疏水表面(下文簡稱SHS＃2),具體做法為首先噴涂一層丙烯酸酯樹脂層,然后用平均絲徑0．25 mm、網(wǎng)格間距1．5 mm×1．0 mm的絲網(wǎng)對丙烯酸酯樹脂層進行掩模遮擋,再噴涂一層丙烯酸酯樹脂層避免樹脂在網(wǎng)絲處沉積,從而形成具有毫米級網(wǎng)格紋理的表面微結(jié)構(gòu),最后在具有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的丙烯酸酯樹脂層表面噴涂疏水納米SiO2顆粒,制備得到超疏水表面。理論上根據(jù)上述制備流程所制備的SHS＃2仍為全超疏水表面。

圖2 實驗用各種平板及光學(xué)輪廓圖Fig.2 Superhydrophobic preparation diagram and optical profiles of different disks for experiment

圖2(d)～(f)分別給出了用光學(xué)3D表面輪廓儀(中圖儀器Super view W1)測量光滑圓盤(下文簡稱SMS)、SHS＃1和SHS＃2得到的表面粗糙度分布(圖中只給出2 mm×2 mm的視野范圍)。用于表征3種表面粗糙度的參數(shù)Sq(粗糙的脈動強度)分別為0．036、11．332和17．125μm。盡管SHS＃1和SHS＃2的Sq值差別不顯著,但如圖2(e)、2(f)所示,粗糙度的分布特性有著顯著的差異,后者存在與掩模網(wǎng)紋尺度相當(dāng)?shù)牡痛植趨^(qū),出現(xiàn)此特征的原因可能是在噴涂過程中溶劑揮發(fā)而使得條帶內(nèi)疏水納米SiO2顆粒較少(圖2(f)中紅色虛線框為1．0 mm×0．5 mm的超疏水方格)。如此設(shè)計的初衷是想通過網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)將氣膜分割,凹凸表面凹下去的部分增加氣膜與表面的接觸面積,從而提高氣膜在表面上的吸附力,進而提高其抵抗動態(tài)失穩(wěn)的能力。下文的實驗結(jié)果將證實這一設(shè)想具有可行性。

需要說明的是,SHS＃1和SHS＃2均只在轉(zhuǎn)盤的下表面制備了超疏水涂層,這是為了避免上表面氣膜在液體浮力作用下加速脫落而帶來額外的不確定度。另外,如圖2(c)所示,在噴涂面邊緣留有一圈寬度為5 mm的親水圓環(huán),通過產(chǎn)生三相接觸線來約束氣膜層在圓盤邊緣的變形[2,17,33]和非剪切脫附。

1.3 實驗方案

實驗用水為經(jīng)過超過濾濾除水中大尺寸顆粒后的自來水。實驗過程中,室溫與水溫的變化控制在1℃以內(nèi)。在不同轉(zhuǎn)速下,分別在空氣與水中對SMS動盤進行6次重復(fù)的扭矩測量,得到的平均扭矩在6次測量之間的脈動量小于0．0012 N·m,且不受轉(zhuǎn)速影響。該數(shù)值接近傳感器的精度,可認(rèn)為實驗平臺具有可重復(fù)性。多次拆裝動盤會使平均扭矩產(chǎn)生1%以內(nèi)的偏差,影響較小,可忽略不計。另外,還測試了氣石的影響,發(fā)現(xiàn)加裝氣石會使SMS動盤的扭矩增大10%,但其隨雷諾數(shù)的變化趨勢不變,因下文將主要比較3種圓盤的扭矩變化,故此后不再扣除氣石引起的扭矩增量。

向水槽中注水后,超疏水表面會形成連續(xù)的自然氣膜層(如圖3(a)所示),在小轉(zhuǎn)速下氣膜不發(fā)生脫落,進而帶來減阻效果,但隨著轉(zhuǎn)速增大,氣膜逐漸脫落,減阻效果也將隨之減弱,直至氣膜消失變?yōu)榇植谠鲎?。實驗發(fā)現(xiàn),自然形成的氣膜層的穩(wěn)定性不佳,氣膜厚度、覆蓋面積與旋轉(zhuǎn)盤安裝的水平度密切相關(guān),且一旦脫落后表面將進入Wenzel狀態(tài),無法再次生成氣膜,故本文考慮人工補氣的方法。已有研究表明,通過主動補充微氣泡[23,26]或電化學(xué)反應(yīng)半自動補充氣泡[25,27]等方式,可在超疏水表面形成具有減阻效果的氣膜層。因此,本文使用氣泵通過底部的4個氣石進行主動通氣,在動盤盤面上形成的人工氣膜如圖3(b)所示。實驗觀察到,人工補氣產(chǎn)生的氣膜層厚度具有臨界值,當(dāng)補氣使得氣膜層飽和后,多余的微氣泡會從邊緣溢出。這一特性使得氣膜層厚度人為可控,為定量比較不同轉(zhuǎn)速下的減阻效果提供了基準(zhǔn)。此外,人工補氣無法在親水板(SMS)表面形成持續(xù)的氣膜。如圖3(d)所示,在靜止?fàn)顟B(tài)下對SMS進行人工補氣,由于浮力作用,會在SMS下盤面形成不連續(xù)的氣團,一旦SMS開始旋轉(zhuǎn),氣團將迅速脫落,對比扭矩數(shù)據(jù)可證實其不存在減阻效果。

圖3 動盤表面氣膜狀況Fig.3 Air plastron condition on rotating disk surface

在扭矩測量實驗中,在每一個轉(zhuǎn)速下均先持續(xù)人工通氣1 min,通氣體積流量固定為6 L/min,結(jié)束通氣后開始記錄傳感器的扭矩讀數(shù),當(dāng)扭矩的時序信號在5 min內(nèi)沒有明顯上升或者下降后即可判定為流動達(dá)到穩(wěn)態(tài),對穩(wěn)態(tài)扭矩取5 min內(nèi)的平均值作為對應(yīng)動盤的穩(wěn)態(tài)平均扭矩。

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 超疏水穩(wěn)態(tài)減阻性能

圖4給出SMS、SHS＃1和SHS＃2等3種動盤的穩(wěn)態(tài)扭矩T和穩(wěn)態(tài)摩阻系數(shù)Cf隨Re(或最大切速度Vθmax)的變化。如圖所示,對于SMS,Cf隨Re的增大先快速減小后略有增大,隨后緩慢減少,反映馮卡門旋流經(jīng)歷了層流、轉(zhuǎn)捩和湍流等3種流態(tài)[31]。轉(zhuǎn)捩雷諾數(shù)(定義為Cf(Re)曲線最低點處,表示流態(tài)從層流開始發(fā)生轉(zhuǎn)捩的雷諾數(shù))約為Retr＝3．0×105。SHS＃1和SHS＃2的Cf隨Re呈類似的變化趨勢,均存在一個臨界雷諾數(shù)Rec,當(dāng)Re＜Rec時,超疏水板具有較好的減阻效果,相比SMS的最大減阻率可達(dá)30%;超過Rec后,T和Cf均將快速上升,并隨Re的增大很快超過SMS的數(shù)值,喪失減阻效果。SHS＃1和SHS＃2的臨界雷諾數(shù)分別為4．0×105和3．5×105。另外,SHS＃1的轉(zhuǎn)捩雷諾數(shù)推遲到Retr＝3．5×105,而SHS＃2的Retr約為3．0×105,需要說明的是,其Cf(Re)曲線在最低點附近略有波動,故目前難以準(zhǔn)確判斷Retr的具體數(shù)值。流動顯示表明,在Re＜Rec時,SHS＃1和SHS＃2上均存在穩(wěn)定的氣膜層。隨轉(zhuǎn)速的增大,氣膜在離心力和流動剪切的綜合作用下開始從外圈脫落并逐漸向內(nèi)圈擴散。在氣膜脫落處,超疏水表面的微粗糙結(jié)構(gòu)與水直接接觸,因此增加了局部阻力。增大Re至Rec后,氣膜層快速縮小直至消失,此后Cf的數(shù)值將因為表面微粗糙完全暴露于水中而超過SMS的情況。

圖4 不同實驗表面的穩(wěn)態(tài)摩擦扭矩和平均摩阻系數(shù)隨雷諾數(shù)和最大切速度的變化Fig.4 Variations of steady-state friction torque and average friction coefficient of different experimental surfaces with Reynolds number and maximum shear speeds

需要注意的是,圖4(b)反映,SHS＃2盡管Rec和Retr均比SHS＃1低,但Cf(Re)曲線在Rec之后的上升相對緩慢,這表明網(wǎng)紋超疏水表面對于氣膜在高Re數(shù)下的快速脫落具有一定的抑制作用。為進一步證明此結(jié)論,圖5(a)分別給出120 r/min(Re＝2.8×105＜Rec)和180 r/min(Re＝4．2×105＞Rec)兩個典型轉(zhuǎn)速下3種圓盤的扭矩時序信號,時間軸t＝0處對應(yīng)人工補氣停止的時刻。如圖5(a)所示,在Re＝2．8×105時,SHS＃1和SHS＃2的扭矩T在5 min內(nèi)均保持穩(wěn)定的低水平,兩者的數(shù)值差距很小。當(dāng)Re增大到4．2×105時,SHS＃1的扭矩T在維持了1 min的低水平后快速上升,說明氣膜在流動剪切和離心力的聯(lián)合作用下開始失穩(wěn)脫落,在4 min后T已達(dá)到穩(wěn)態(tài),其數(shù)值超過SMS的水平。相比之下,SHS＃2的T在5 min內(nèi)始終以很低的速率緩慢上升,數(shù)值遠(yuǎn)低于SMS的水平。圖5(b)進一步給出了2個超疏水圓盤在人工通氣后的減阻有效時間隨Re的變化(圖中紅色虛線與綠色實線分別表示SHS＃1、SHS＃2的臨界雷諾數(shù)Rec)。減阻有效時間Δteff定義為超疏水圓盤摩擦扭矩時序曲線低于同工況下親水光滑圓盤的扭矩時序曲線的持續(xù)時間,如圖5(a)中綠線在3．5 min之后開始高于黑線,即SHS＃1在180 r/min的工況下減阻有效時間Δteff為3．5 min。需要說明的是,為節(jié)省實驗時間,在人工補氣工況下對每一個Re只進行了持續(xù)5 min的實驗,如果在此時間段內(nèi)超疏水圓盤扭矩始終低于親水圓盤,則記Δteff＝5 min。從圖5(b)可知,盡管SHS＃2的Rec小于SHS＃1,但其減阻有效時間在超臨界雷諾數(shù)Re＝4×105～5．5×105的范圍內(nèi)明顯長于后者,說明氣膜穩(wěn)定存在的時間更長,體現(xiàn)了網(wǎng)紋超疏水表面抑制氣膜失穩(wěn)脫落的能力。

圖5 超疏水圓盤減阻失效過程與不同Re下的減阻有效時間Fig.5 Superhydrophobic disk drag reduction failure process and effective time of drag reduction under different Re

2.2 超疏水氣膜層的恢復(fù)

從以上分析可知,存在一個臨界雷諾數(shù)Rec,在超臨界雷諾數(shù)下,超疏水表面氣膜層快速脫落,穩(wěn)態(tài)阻力反而增加。為增大超疏水減阻的雷諾數(shù)范圍,可以考慮使用脈沖式補氣的方法,在氣膜層消失之前間歇性的補氣。圖6(a)給出SHS＃1和SHS＃2在Re＝4．2×105(大于SHS＃1的Rec)下脈沖式補氣的摩阻時序信號,氣泵每間隔4 min開啟給圓盤補氣1 min。圖6(a)中還給出SMS的摩阻時序信號以供對比。此外,圖6(b)和6(c)分別給出SHS＃1、SHS＃2在補氣前10 s和一次補氣結(jié)束時的氣膜層形態(tài)。

圖6 循環(huán)主動脈沖通氣實驗的扭矩時序信號與補氣前后氣膜狀態(tài)Fig.6 Torque time sequence signal and air plastron state before and after supplementation in cyclic active pulse ventilation experiment

流動顯示表明,在SHS＃1的Rec下,氣膜層隨著時間推移而逐漸脫落;通過補氣,超疏水表面捕獲到微氣泡,氣膜層迅速擴展至整個盤面,阻力矩降到最低;氣膜層一旦達(dá)到飽和,其厚度將不再變化,額外的微氣泡將從圓盤邊緣溢出。對SHS＃1而言,停止補氣后,氣膜層的外圈在離心力的作用下從盤面邊緣甩出,氣膜層的面積占比下降,導(dǎo)致Cf快速上升;當(dāng)離心力和超疏水表面對微氣泡的抓持力達(dá)到平衡后,Cf的快速上升階段結(jié)束,此后,流動剪切力和湍流脈動將逐漸剝離附著在表面的剩余氣膜層,使得Cf緩慢上升,直至恢復(fù)到SMS的水平。與SHS＃1形成對比的是,SHS＃2中并沒觀察到Cf的快速上升階段。結(jié)合流動顯示,氣膜層在停止補氣后只以很低的速度縮減,Cf可以在一個相對較低的水平上維持超過4 min。這說明SHS＃2上的網(wǎng)紋粗糙能夠?qū)Ω街奈馀萏峁└蟮淖コ至?從而有效抵抗離心力、延緩氣膜層的快速脫落。最后,圖6證實,SHS＃1和SHS＃2的減阻效果均可以通過補氣來恢復(fù),說明在人工補氣狀態(tài)下,Cassie-Baxter狀態(tài)是可逆的。這種轉(zhuǎn)變可能是由于超疏水表面存在親氣疏水的特性,使得補充到流場中的微氣泡被其捕捉而再次形成氣膜所產(chǎn)生。但仍存在通氣率、通氣占空比、物理環(huán)境影響等問題需要明確。因此超疏水表面通過補氣從Wenzel狀態(tài)到Cassie-Baxter狀態(tài)的轉(zhuǎn)變機制還有待進一步的研究。

3 結(jié) 論

通過對超疏水旋轉(zhuǎn)圓盤在馮卡門旋流中的氣膜層減阻情況開展實驗研究,結(jié)合摩阻時序變化與流動顯示結(jié)果,發(fā)現(xiàn):

1)超疏水旋轉(zhuǎn)圓盤在層流、轉(zhuǎn)捩、湍流中均存在一定的減阻效果。均勻超疏水表面(SHS＃1)和具有毫米級網(wǎng)格紋理的網(wǎng)紋超疏水表面(SHS＃2)均存在一個臨界雷諾數(shù)Rec,在亞臨界雷諾數(shù)下,兩種表面均具有穩(wěn)定的減阻效果,而在超臨界雷諾數(shù)下,減阻效果隨Re的增加快速下降,最終變?yōu)榇植谠鲎?。另?前者的轉(zhuǎn)捩雷諾數(shù)Retr相比光滑平板(SMS)而言被推遲,后者則幾乎無變化。

2)SHS＃2的表面紋理提高了其氣膜層抵抗動態(tài)失穩(wěn)的能力。對減阻效果的有利影響體現(xiàn)在兩個方面:一是能夠在更高的雷諾數(shù)下保持較大幅度的穩(wěn)態(tài)減阻效果;二是減阻有效時間更長。這一發(fā)現(xiàn)說明,可以通過合理設(shè)計超疏水材料的表面紋理特性,調(diào)節(jié)氣膜與固體表面的接觸面積來進一步提高其表面氣膜的動態(tài)穩(wěn)定性。

3)采用主動式脈沖通氣的方式可以通過恢復(fù)超疏水表面氣膜層來恢復(fù)其減阻效果,這表明在人工補氣狀態(tài)下,Cassie-Baxter狀態(tài)是可逆的,同時其減阻有效時間得到一定程度的延長。因此,主動脈沖通氣結(jié)合超疏水表面,將有可能是一種具有良好應(yīng)用前景的湍流減阻技術(shù)。