梯度辟水涂层表面上的流动分析

　　表面流动在19世纪就引起人们的注意,Marangoni提出了各向同性表面的流动模型。由于表面流动问题在流体力学、水下兵器、摩擦学应用等方面具有重要意义,目前多个领域的学者对其进行了研究:林建忠等[1]发现在斜向自由剪切层流场中有螺旋型涡存在的特征。姜楠等[2]认为子波方法比条件采样法、自相关函数法与数字滤波法更能有效地分析湍流相干结构。A Hozumi等[3]的研究结果表明在沸水中涂层的辟水性能取决于水解团的含量。DJ Goldfarb等[4]提出了无量纲剪切参数来决定温态流动与波流动间的转化。

　　在摩擦学研究方面,吕新广等[5]实验研究了聚四氟乙烯表面的润滑性能,证实在PTFE表面有表面滑移产生,并且滑移速度与流量和压差有关。齐毓霖[6]给出了表面接触角与摩擦系数的关系。K W Yanuar等[7]对管壁的辟水流动研究表明层流剪应力与滑移速度成正比关系。P A Thompson等[8]研究了液体在固体表面流动的边界条件,将滑移程度与液体和固体壁间的静摩擦力、动态作用联系起来。D Wheeler等[9]用有限体积模型研究了Marangoni流动与表面张力,得到了压力、速度分布场。

　　从1960年9月J Steele[10]正式提出仿生学概念以来,对荷叶、鸟类羽毛等辟水特性的研究也取得了突破。K Tadanaga等[11]研制出透明辟水涂层,表面接触角达165°。2003年3月3日科学美国人网站报道在聚丙烯中加入凝结剂,再将它涂到玻璃基片上,经过真空烘烤蒸发,就得到了一种多孔的凝胶层,其接触角达到160°,辟水性能可与荷叶媲美。人体皮肤的接触角达到90°,鸟的羽毛和荷叶的接触角分别为150°和170°。

　　基于仿生荷叶设计,本文作者第一次提出梯度张力表面设计,建立动力学方程,研究其辟水性能。

　　1　辟水涂层设计

　　以前人们研究了不同材料表面的辟水性能,如图1 (a)、(b)所示。如能利用表面张力促使液滴的流动,将为辟水表面设计提供一条新的思路。基于对荷叶表面的仿生,提出梯度表面张力表面设计,如图1(c)所示,在表面上制备表面张力的梯度涂层,液滴在表面张力差的作用下产生运动。

　　2　表面流动分析

　　在水平表面上的液滴运动动力学问题可用方程(1)来描述,在倾斜表面上的液滴运动可用方程(2)表示:

　　上两式中: m为液滴质量,取0·1 g;σ1g,1,σ1g,2为液固表面张力,取1×10-5~1×10-1N;θ1,θ2分别为液滴与梯度表面两位置的接触角; f为摩擦系数,取0·05;β为斜面倾角。

　　根据式(1)可计算出液滴的运动速度与加速度,式(1)中右边前两项的差在0~2σ1g间变化。将公式(1)改写为