湍流状态下超疏水表面流场减阻特性数值仿真研究

　　０　引　言　　

　　超疏水表面（Ｓｕｐｅｒｈｙｄｒｏｐｈｏｂｉｃ　ｓｕｒｆａｃｅ）是指其上液滴的表观接触角大于１５０°的固体表面，在防水、防污染、防氧化、自清洁等多种领域具有广阔的应用前景，超疏水表面减阻因其巨大的潜在应用价值，近几年引起人们越来越多的关注。影响疏水表面疏水性的因素主要有表面能和微观形貌两方面，而仅仅依靠表面能的光滑疏水表面，根据理论推导最大接触角只能达到１２０°［１］。要解释自然界中的超疏水现象，还要考虑微观形貌的影响。为此，Ｃａｓｓｉｅ等在Ｗｅｎｚｅｌ提出的粗糙表面接触模型的基础上提出了气／液接触模式的Ｃａｓｓｉｅ模型［２－３］，其理论模型如图１所示。

　　对超疏水表面，由于表面微结构内部驻留气体，使流体流经疏水表面时实际固／液接触面积减小，降低了表面的粘性阻力，从而产生减阻效果［４］。Ｏｕ　Ｊ．等［５］对微脊超疏水表面微通道流动进行了数值模拟，发现微脊空隙的增加和微通道宽度的减少，将减少无量纲压降比，减弱滑移效果，并且在自由剪切面处获得了大于主流平均速度６０％的滑移速度，但是滑移速度对流动的影响不会向远离壁面处扩展。李健等［６］根据固／液界面的复合接触模式，考察了液体在光栅疏水表面上的流动，数值模拟得到了管道内流的速度分布、压强分布和减阻情况，计算结果表明，流体在光滑与光栅疏水表面构成的管道中的压强分布存在一定差异，光栅疏水表面具有一定的减阻性能。然而超疏水表面在湍流状态下是否具有减阻效果仍存在争议［７－８］，Ｋｉｍ等人采用直接数值模拟的方法（ＤＮＳ）对此进行了研究，发现湍流流动边界层流向上的滑移是流动阻力减小的原因，而展向上的滑移流动则会造成阻力增大，要想在湍流流动中获得明显的减阻效果，必须使流向上的滑移长度大于某一特定的值；国内的吕田等［９］对具有纵向微观结构的疏水表面圆管内湍流流动特性进行了研究，发现其流场中存在临界雷诺数（Ｒｅ），当Ｒｅ大于此临界值时，超疏水性圆管内的湍流流动表现为减阻；反之则表现为增阻，并认为超疏水表面无滑移壁面与自由剪切面的综合效果是导致这一现象的主要原因。

　　本文在湍流状态下对具有横向微观结构超疏水表面的两无限大平板间流场进行了数值仿真，从壁面剪应力、压强分布、壁面滑移等方面，分析了超疏水表面减阻机理，并研究了微观结构内不同气体体积分数对超疏水表面减阻的影响。

　　１　数值仿真方法