超疏水旋转圆盘气膜层减阻的实验研究

陈正云张清福潘翀刘彦鹏蔡楚江

1．上海外高桥造船有限公司,上海 200137;2．北京航空航天大学 航空科学与工程学院,北京 100191;3．北京航空航天大学宁波创新研究院 先进飞行器与空天动力技术创新研究中心,浙江 宁波 315800

0 引 言

在全球气候变化加剧、节能减排需求大增的背景下,如何减少水下及水面船只、舰艇的航行阻力从而提高能量利用率变得愈发重要[1-2]。对摩擦阻力占总阻力的50%～70%的水下/水面航行体而言,降低其湍流边界层的摩擦阻力是减阻的主要任务[3]。水下/水面航行体绕流湍流边界层的特征雷诺数很高、流动特性复杂且影响因素众多,传统的减阻流动控制技术主要为壁面微抽吸、柔性壁面、壁面沟槽[4-6]、高分子聚合物[7-8]等[3,9]。近年来,具有表面滑移特性的超疏水材料,被证实具备减少流动摩擦阻力的能力,因此受到广泛关注[1-2,10-13]。

超疏水表面通过减小液滴与固壁的接触角滞后来提高液滴的滚动性。在Cassie-Baxter状态下,超疏水表面的微结构及较低的表面能会使其在固-液界面中间形成一层很薄的气膜层,此时流动摩擦阻力的减少主要来自于介质替换,即将壁-液接触面替换为气-液接触面,水在气膜层上方滑移,仅只受到较小的阻力,在宏观上表现为一定的滑移长度。大量研究表明,Cassie-Baxter状态下的气膜层处于亚稳态[11,14-17],气膜层会受到流体剪切、湍流脉动、压力和气体溶解度等因素的影响而逐渐脱附,最终变成表面被完全浸润的Wenzel状态,由此丧失减阻效果,甚至因为表面微结构引起的额外粗糙度而增加阻力。因此,如何提高气膜层的稳定性、延缓气膜的脱附,成为制约超疏水表面减阻技术走向实际工程应用的一个重要瓶颈问题。

已有研究表明,通过超疏水表面微结构的形貌设计[2,18-21]、表面加工工艺的改变[22]以及主动(或半主动)补气[23-27]等方式,可以有效的提高气膜稳定性,从而延缓减阻效果的消失,甚至进一步提高减阻效果。但是,大多数的气膜稳定性研究是在静态或者较低的流动雷诺数下进行的,针对较高雷诺数条件的气膜稳定性的研究还相对较少。本文将在冯卡门旋流(Von Kármán swirling flow)中实验研究雷诺数对超疏水旋转圆盘减阻特性的影响,实验的雷诺数在105量级。进一步的,将在临界失效状态下,通过脉冲通气的方式来研究超疏水表面形貌对气膜稳定性的影响以及气膜层恢复到Cassie-Baxter状态的能力。

1 实验方法与设备

下面对实验装置、超疏水表面制备工艺和实验方案分别进行说明。

1.1 冯卡门旋流实验台

实验选择冯卡门旋流作为背景流场,其在自然界与工业中较为常见,也是流体力学基础研究中的一个重要的简化模型[28]。冯卡门旋流由两个法向间距H、分别以Ω和Γ的恒定转速对心旋转的无限大圆盘产生[28-32]。旋转流动由旋转圆盘通过黏性驱动[29],流体反作用于旋转圆盘的总扭矩T反映了圆盘所受的总摩擦阻力。据此可精确测量出旋转圆盘的平均摩擦阻力系数Cf(Cf＝T/ρΩ2r5,其中,T为扭矩,ρ为流体密度,r为旋转圆盘半径,Ω为圆盘的旋转角速度)。通过改变转速即可改变冯卡门旋流的特征雷诺数Re(Re＝Ωr2/ν,其中ν为流体的运动黏度)。

在实际模拟中,旋转圆盘只有有限尺寸,且一般采用静盘加转盘的组合方式。Brady和Durlofsky研究了冯卡门旋流存在的两种有限圆盘近似解,分别为圆柱形水槽半径大于两倍旋转圆盘半径的开放流场和旋转圆盘与水槽半径相当的封闭流场[28]。考虑到侧边界条件对稳态流场有较大影响,本文选用开放流场作为背景流动,实验装置如图1所示,其包含一个半径R＝300 mm、高h＝300 mm的圆柱形亚克力水槽,水槽上端安装压水板以消除自由液面的影响;一个厚度6 mm、半径r＝150 mm(r＝)的有机玻璃圆盘作为旋转盘。旋转盘距离水槽底部H＝180 mm(r/H＝0．83),距离水槽顶部压水板下表面70 mm,水槽底部作为静盘使用。

图1 实验装置Fig.1 Experimental facility diagram

旋转盘由一套伺服驱动系统进行控制驱动,组件包括最大扭矩为15 N·m且平均转速精度为0．2%的伺服电机(一川130ST-M15015)、驱动器(一川A1-SVD-30A)和控制器(奕标DKC-Y110),通过调整控制器的脉冲频率进行转速控制。圆盘扭矩由量程为1 N·m、精度为0．001 N·m的扭矩传感器(INTARFACE T2-1-A1A)进行测量,其通过软式弹簧联轴器与上下端转轴相连,搭配使用数据采集卡(耐创FC-DAQ)进行实时采集,采样频率为2000 Hz。对测量得到的扭矩时序信号进行锐截距滤波,滤除超过旋转频率的高频信号,只保留低频大尺度成分。测量得到的平均扭矩需要扣除轴承、联轴器等带来的附加扭矩,后者可由圆盘在空气中以相同转速旋转受到的扭矩来近似。在进行脉冲通气实验时,通过增氧泵(蓝宝AP-120)连接4个圆柱形气石进行补气,增氧泵由继电器进行可编程的开闭控制,气石放置在转盘正下方。

本文实验中,伺服电机转速在Ω＝60～270 r/min范围内可调,对应的特征雷诺数在Re～O(105)量级。由下文可知,在此雷诺数范围内,冯卡门旋流从层流向湍流转捩。

1.2 超疏水材料制备

本文实验采用物理喷涂法制备超疏水表面。制备示意图如图2(a)所示,首先在光滑的有机玻璃平板上均匀喷涂丙烯酸酯树脂作为基底粘附层,然后喷涂经全氟癸基三乙氧基硅烷处理后的纳米SiO2颗粒,形成具有微-纳二级粗糙度的表面微结构层,从而得到超疏水表面。该方法由于喷涂了丙烯酸酯树脂粘附层,其制备的超疏水表面具有良好的机械强度和稳定性[22]。经动态接触角测试仪(轩轶创析XGCAMC33)测量,所制备的超疏水表面平均接触角为153．8°,滚动角为1．8°,满足超疏水表面接触角大于150．0°,滚动角小于10．0°的要求。除图2(a)所示的均匀超疏水表面(下文简称SHS＃1)外,还采用丝网掩模压印法(如图2(b)所示)制备了网格状的非均匀超疏水表面(下文简称SHS＃2),具体做法为首先喷涂一层丙烯酸酯树脂层,然后用平均丝径0．25 mm、网格间距1．5 mm×1．0 mm的丝网对丙烯酸酯树脂层进行掩模遮挡,再喷涂一层丙烯酸酯树脂层避免树脂在网丝处沉积,从而形成具有毫米级网格纹理的表面微结构,最后在具有网状结构的丙烯酸酯树脂层表面喷涂疏水纳米SiO2颗粒,制备得到超疏水表面。理论上根据上述制备流程所制备的SHS＃2仍为全超疏水表面。

图2 实验用各种平板及光学轮廓图Fig.2 Superhydrophobic preparation diagram and optical profiles of different disks for experiment

图2(d)～(f)分别给出了用光学3D表面轮廓仪(中图仪器Super view W1)测量光滑圆盘(下文简称SMS)、SHS＃1和SHS＃2得到的表面粗糙度分布(图中只给出2 mm×2 mm的视野范围)。用于表征3种表面粗糙度的参数Sq(粗糙的脉动强度)分别为0．036、11．332和17．125μm。尽管SHS＃1和SHS＃2的Sq值差别不显著,但如图2(e)、2(f)所示,粗糙度的分布特性有着显著的差异,后者存在与掩模网纹尺度相当的低粗糙区,出现此特征的原因可能是在喷涂过程中溶剂挥发而使得条带内疏水纳米SiO2颗粒较少(图2(f)中红色虚线框为1．0 mm×0．5 mm的超疏水方格)。如此设计的初衷是想通过网状结构将气膜分割,凹凸表面凹下去的部分增加气膜与表面的接触面积,从而提高气膜在表面上的吸附力,进而提高其抵抗动态失稳的能力。下文的实验结果将证实这一设想具有可行性。

需要说明的是,SHS＃1和SHS＃2均只在转盘的下表面制备了超疏水涂层,这是为了避免上表面气膜在液体浮力作用下加速脱落而带来额外的不确定度。另外,如图2(c)所示,在喷涂面边缘留有一圈宽度为5 mm的亲水圆环,通过产生三相接触线来约束气膜层在圆盘边缘的变形[2,17,33]和非剪切脱附。

1.3 实验方案

实验用水为经过超过滤滤除水中大尺寸颗粒后的自来水。实验过程中,室温与水温的变化控制在1℃以内。在不同转速下,分别在空气与水中对SMS动盘进行6次重复的扭矩测量,得到的平均扭矩在6次测量之间的脉动量小于0．0012 N·m,且不受转速影响。该数值接近传感器的精度,可认为实验平台具有可重复性。多次拆装动盘会使平均扭矩产生1%以内的偏差,影响较小,可忽略不计。另外,还测试了气石的影响,发现加装气石会使SMS动盘的扭矩增大10%,但其随雷诺数的变化趋势不变,因下文将主要比较3种圆盘的扭矩变化,故此后不再扣除气石引起的扭矩增量。

向水槽中注水后,超疏水表面会形成连续的自然气膜层(如图3(a)所示),在小转速下气膜不发生脱落,进而带来减阻效果,但随着转速增大,气膜逐渐脱落,减阻效果也将随之减弱,直至气膜消失变为粗糙增阻。实验发现,自然形成的气膜层的稳定性不佳,气膜厚度、覆盖面积与旋转盘安装的水平度密切相关,且一旦脱落后表面将进入Wenzel状态,无法再次生成气膜,故本文考虑人工补气的方法。已有研究表明,通过主动补充微气泡[23,26]或电化学反应半自动补充气泡[25,27]等方式,可在超疏水表面形成具有减阻效果的气膜层。因此,本文使用气泵通过底部的4个气石进行主动通气,在动盘盘面上形成的人工气膜如图3(b)所示。实验观察到,人工补气产生的气膜层厚度具有临界值,当补气使得气膜层饱和后,多余的微气泡会从边缘溢出。这一特性使得气膜层厚度人为可控,为定量比较不同转速下的减阻效果提供了基准。此外,人工补气无法在亲水板(SMS)表面形成持续的气膜。如图3(d)所示,在静止状态下对SMS进行人工补气,由于浮力作用,会在SMS下盘面形成不连续的气团,一旦SMS开始旋转,气团将迅速脱落,对比扭矩数据可证实其不存在减阻效果。

图3 动盘表面气膜状况Fig.3 Air plastron condition on rotating disk surface

在扭矩测量实验中,在每一个转速下均先持续人工通气1 min,通气体积流量固定为6 L/min,结束通气后开始记录传感器的扭矩读数,当扭矩的时序信号在5 min内没有明显上升或者下降后即可判定为流动达到稳态,对稳态扭矩取5 min内的平均值作为对应动盘的稳态平均扭矩。

2 实验结果与讨论

2.1 超疏水稳态减阻性能

图4给出SMS、SHS＃1和SHS＃2等3种动盘的稳态扭矩T和稳态摩阻系数Cf随Re(或最大切速度Vθmax)的变化。如图所示,对于SMS,Cf随Re的增大先快速减小后略有增大,随后缓慢减少,反映冯卡门旋流经历了层流、转捩和湍流等3种流态[31]。转捩雷诺数(定义为Cf(Re)曲线最低点处,表示流态从层流开始发生转捩的雷诺数)约为Retr＝3．0×105。SHS＃1和SHS＃2的Cf随Re呈类似的变化趋势,均存在一个临界雷诺数Rec,当Re＜Rec时,超疏水板具有较好的减阻效果,相比SMS的最大减阻率可达30%;超过Rec后,T和Cf均将快速上升,并随Re的增大很快超过SMS的数值,丧失减阻效果。SHS＃1和SHS＃2的临界雷诺数分别为4．0×105和3．5×105。另外,SHS＃1的转捩雷诺数推迟到Retr＝3．5×105,而SHS＃2的Retr约为3．0×105,需要说明的是,其Cf(Re)曲线在最低点附近略有波动,故目前难以准确判断Retr的具体数值。流动显示表明,在Re＜Rec时,SHS＃1和SHS＃2上均存在稳定的气膜层。随转速的增大,气膜在离心力和流动剪切的综合作用下开始从外圈脱落并逐渐向内圈扩散。在气膜脱落处,超疏水表面的微粗糙结构与水直接接触,因此增加了局部阻力。增大Re至Rec后,气膜层快速缩小直至消失,此后Cf的数值将因为表面微粗糙完全暴露于水中而超过SMS的情况。

图4 不同实验表面的稳态摩擦扭矩和平均摩阻系数随雷诺数和最大切速度的变化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,图4(b)反映,SHS＃2尽管Rec和Retr均比SHS＃1低,但Cf(Re)曲线在Rec之后的上升相对缓慢,这表明网纹超疏水表面对于气膜在高Re数下的快速脱落具有一定的抑制作用。为进一步证明此结论,图5(a)分别给出120 r/min(Re＝2.8×105＜Rec)和180 r/min(Re＝4．2×105＞Rec)两个典型转速下3种圆盘的扭矩时序信号,时间轴t＝0处对应人工补气停止的时刻。如图5(a)所示,在Re＝2．8×105时,SHS＃1和SHS＃2的扭矩T在5 min内均保持稳定的低水平,两者的数值差距很小。当Re增大到4．2×105时,SHS＃1的扭矩T在维持了1 min的低水平后快速上升,说明气膜在流动剪切和离心力的联合作用下开始失稳脱落,在4 min后T已达到稳态,其数值超过SMS的水平。相比之下,SHS＃2的T在5 min内始终以很低的速率缓慢上升,数值远低于SMS的水平。图5(b)进一步给出了2个超疏水圆盘在人工通气后的减阻有效时间随Re的变化(图中红色虚线与绿色实线分别表示SHS＃1、SHS＃2的临界雷诺数Rec)。减阻有效时间Δteff定义为超疏水圆盘摩擦扭矩时序曲线低于同工况下亲水光滑圆盘的扭矩时序曲线的持续时间,如图5(a)中绿线在3．5 min之后开始高于黑线,即SHS＃1在180 r/min的工况下减阻有效时间Δteff为3．5 min。需要说明的是,为节省实验时间,在人工补气工况下对每一个Re只进行了持续5 min的实验,如果在此时间段内超疏水圆盘扭矩始终低于亲水圆盘,则记Δteff＝5 min。从图5(b)可知,尽管SHS＃2的Rec小于SHS＃1,但其减阻有效时间在超临界雷诺数Re＝4×105～5．5×105的范围内明显长于后者,说明气膜稳定存在的时间更长,体现了网纹超疏水表面抑制气膜失稳脱落的能力。

图5 超疏水圆盘减阻失效过程与不同Re下的减阻有效时间Fig.5 Superhydrophobic disk drag reduction failure process and effective time of drag reduction under different Re

2.2 超疏水气膜层的恢复

从以上分析可知,存在一个临界雷诺数Rec,在超临界雷诺数下,超疏水表面气膜层快速脱落,稳态阻力反而增加。为增大超疏水减阻的雷诺数范围,可以考虑使用脉冲式补气的方法,在气膜层消失之前间歇性的补气。图6(a)给出SHS＃1和SHS＃2在Re＝4．2×105(大于SHS＃1的Rec)下脉冲式补气的摩阻时序信号,气泵每间隔4 min开启给圆盘补气1 min。图6(a)中还给出SMS的摩阻时序信号以供对比。此外,图6(b)和6(c)分别给出SHS＃1、SHS＃2在补气前10 s和一次补气结束时的气膜层形态。

图6 循环主动脉冲通气实验的扭矩时序信号与补气前后气膜状态Fig.6 Torque time sequence signal and air plastron state before and after supplementation in cyclic active pulse ventilation experiment

流动显示表明,在SHS＃1的Rec下,气膜层随着时间推移而逐渐脱落;通过补气,超疏水表面捕获到微气泡,气膜层迅速扩展至整个盘面,阻力矩降到最低;气膜层一旦达到饱和,其厚度将不再变化,额外的微气泡将从圆盘边缘溢出。对SHS＃1而言,停止补气后,气膜层的外圈在离心力的作用下从盘面边缘甩出,气膜层的面积占比下降,导致Cf快速上升;当离心力和超疏水表面对微气泡的抓持力达到平衡后,Cf的快速上升阶段结束,此后,流动剪切力和湍流脉动将逐渐剥离附着在表面的剩余气膜层,使得Cf缓慢上升,直至恢复到SMS的水平。与SHS＃1形成对比的是,SHS＃2中并没观察到Cf的快速上升阶段。结合流动显示,气膜层在停止补气后只以很低的速度缩减,Cf可以在一个相对较低的水平上维持超过4 min。这说明SHS＃2上的网纹粗糙能够对附着的微气泡提供更大的抓持力,从而有效抵抗离心力、延缓气膜层的快速脱落。最后,图6证实,SHS＃1和SHS＃2的减阻效果均可以通过补气来恢复,说明在人工补气状态下,Cassie-Baxter状态是可逆的。这种转变可能是由于超疏水表面存在亲气疏水的特性,使得补充到流场中的微气泡被其捕捉而再次形成气膜所产生。但仍存在通气率、通气占空比、物理环境影响等问题需要明确。因此超疏水表面通过补气从Wenzel状态到Cassie-Baxter状态的转变机制还有待进一步的研究。

3 结 论

通过对超疏水旋转圆盘在冯卡门旋流中的气膜层减阻情况开展实验研究,结合摩阻时序变化与流动显示结果,发现:

1)超疏水旋转圆盘在层流、转捩、湍流中均存在一定的减阻效果。均匀超疏水表面(SHS＃1)和具有毫米级网格纹理的网纹超疏水表面(SHS＃2)均存在一个临界雷诺数Rec,在亚临界雷诺数下,两种表面均具有稳定的减阻效果,而在超临界雷诺数下,减阻效果随Re的增加快速下降,最终变为粗糙增阻。另外,前者的转捩雷诺数Retr相比光滑平板(SMS)而言被推迟,后者则几乎无变化。

2)SHS＃2的表面纹理提高了其气膜层抵抗动态失稳的能力。对减阻效果的有利影响体现在两个方面:一是能够在更高的雷诺数下保持较大幅度的稳态减阻效果;二是减阻有效时间更长。这一发现说明,可以通过合理设计超疏水材料的表面纹理特性,调节气膜与固体表面的接触面积来进一步提高其表面气膜的动态稳定性。

3)采用主动式脉冲通气的方式可以通过恢复超疏水表面气膜层来恢复其减阻效果,这表明在人工补气状态下,Cassie-Baxter状态是可逆的,同时其减阻有效时间得到一定程度的延长。因此,主动脉冲通气结合超疏水表面,将有可能是一种具有良好应用前景的湍流减阻技术。