表面张力对疏水微结构表面减阻的影响_宋保维

超疏水减阻的研究进展摘要：超疏水表面在工农业生产和日常生活中具有广阔的应用前景。

本文主要回顾了超疏水表面的主要基本理论及其在减阻中的应用。

关键词：静态接触角；接触角滞后；滚动角；减阻1.引言近年来，超疏水表面引起了广泛的关注，它在工农业生产和人们的日常生活中具有极其广阔的应用前景。

追踪到20世纪30年代，有关减小阻力的研究就出现了，但最开始的研究工作集中在减小表面粗糙度。

减阻结构的设计和机理一直受到人们的关注。

在适应和自然选择长期进化的过程中，生物体已形成各种功能特征。

进一步加深对减阻的认识，特别是降低水下运动物体的阻力，对仿生学的研究起到了推动作用其中特别重要的启示来自对海豚和鲨鱼皮肤的研究。

本文主要回顾了超疏水表面的基本理论及其在减阻中的应用。

2.超疏水表面相关理论表征固体表面的润湿特性是超疏水材料研究中的重要课题[1]。

目前，研究人员已经开发了多种方法来表征表面润湿性，例如，静态接触角、接触角滞后、滚动角等。

2.1静态接触角将少量液体滴加到固体表面，液体可以形成液滴。

在达到平衡时，固体表面上的某个液滴将保持一定的液滴形状，如图1所示。

接触角是气-液-固三相边界线上任意点O处液体的表面张力?gl与液-固界面张力?ls之间的夹角，由?表示。

当固体表面与水的接触角为（?）0°<??90°时，表面称为亲水表面；当90°<?<180°时，该表面称为疏水表面；超疏水表面是指具有接近或大于150°的接触角的表面，并且考虑到接触角滞后和滚动角，可以进一步对超疏水表面进行分类。

滚动角小于10°的超疏水表面可称为自清洁表面。

图1静态接触角示意图液滴在固体表面上保持一定的形状，这是在三相边界线上的任何点处的三个界面张力的合力的结果，也就是说，固体表面上的水滴的形状受到表面张力的影响，并且还受到液滴本身的重力的影响。

因此，在进行接触角测量时，应使用相同体积的液滴。

疏水表面减阻的机理嘿，咱今天就来讲讲疏水表面减阻这个神奇的事儿！你想想啊，水就像个调皮的小孩子，老爱给我们找麻烦，在物体表面捣乱，增加阻力。

但要是这表面变得疏水了呢，那可就不一样啦！疏水表面啊，就好像给物体穿上了一件特别的“雨衣”。

水碰到它呀，就没法那么容易地黏上去，“哧溜”一下就滑过去了。

这就好比我们走路，要是路上都是泥泞，那走起来得多费劲啊，但要是路很光滑，那走起来不就轻松多啦？你看那些水里游的动物，它们的身体表面很多就是疏水的呢。

它们在水里游得那么自在，是不是很让人羡慕呀？其实我们也可以借鉴一下它们的智慧呀。

疏水表面减阻的机理呢，就像是一场巧妙的魔术。

它让水对物体的“纠缠”变少了，减少了摩擦。

就好像两个朋友，本来老是黏在一起，现在有了个办法让他们保持一点距离，这样行动起来就更方便快捷啦。

那怎么才能实现疏水表面呢？这可就有很多门道啦。

可以通过改变表面的结构，让它变得粗糙或者有特殊的纹理。

这就像给表面打造了一个独特的“地形”，水在上面就不容易呆住啦。

或者用一些特殊的材料来制作表面，让水对它“不感兴趣”。

想象一下，如果我们的船都用上疏水表面，那在水里航行的时候不就能省好多力气，跑得更快啦？还有那些在水下工作的设备，也能更高效地工作呀。

在生活中，我们也能处处发现疏水表面减阻的应用呢。

比如一些防水的衣物，水溅上去就滑落了，不会湿透衣服，这不也是一种减阻的体现嘛。

还有那些自清洁的表面，水一冲就干净了，多方便呀。

疏水表面减阻真的是个很神奇又很实用的东西呀。

它能让我们的生活变得更便利，让各种设备运行得更高效。

我们可不要小看了这个小小的现象，它背后蕴含着大大的智慧呢！所以呀，大家都来多了解了解疏水表面减阻吧，说不定哪天你就能发现它在你身边发挥着大作用呢！这可不是开玩笑的哟！。

疏水的名词解释疏水是一个常见的词汇，广泛应用于日常生活和科学领域，并具有多种含义和解释。

本文旨在对疏水进行深入探讨，并给出多个层面的解释。

I. 自然界中的疏水现象疏水最初是从观察自然界中的现象而来。

在自然界中，我们可以看到许多物体在接触水时产生疏水效应。

这种效应使得水不能均匀地附着于物体表面，而是形成了水珠。

这是因为物体表面上存在着疏水性质的分子，使水形成在物体表面上的水膜，而非扩散开来。

这种现象常常出现在植物叶片表面上，起到保护和排水的作用。

II. 物理和化学的角度解释疏水现象从物理和化学的角度来看，疏水性质是由于物体表面上存在着疏水分子。

这些分子通常具有非极性或低极性，与水分子之间缺乏相互吸引力。

因此，当水分子接触到疏水分子时，会将其排斥，形成水珠。

III. 表面张力与疏水性的关系疏水现象与水的表面张力密切相关。

表面张力是指液体分子在液体表面附近的相互作用力，使得液体表面呈现出一种似弹膜的性质。

对于疏水性物体来说，表面张力使得水分子在物体表面形成水珠，并减少了液体与物体表面的接触面积，从而降低了表面能。

IV. 疏水与自清洁表面的开发在科学和工程领域，人们不断探索疏水性质与可应用性之间的联系。

研究人员发现，通过合成疏水纳米颗粒并涂覆在材料表面上，可以制造出自清洁表面。

这种表面可以使液体在表面上快速滑落，带走尘埃和污垢，大大减少了清洁的需求。

V. 疏水在生物界的应用生物领域对疏水性质的运用也非常广泛。

许多微生物和昆虫在演化过程中发展出了疏水性表面，可以有效地避免水生物附着和污染。

这种防水特性对于水生生物和水下设备的保护具有重要意义。

VI. 疏水与抗菌技术的结合疏水技术也被应用于抗菌领域。

研究人员开发出具有疏水性质的材料，可以阻止细菌和病原体的附着和生长。

这项技术对于医疗器械、食品包装和公共场所的卫生管理具有重大意义。

VII. 疏水对水污染治理的贡献疏水技术在水污染治理方面也发挥着积极作用。

通过利用疏水材料的性质，可以有效地去除水中的有机物、重金属和油脂污染物。

疏水微形貌表面水下减阻研究进展
胡海豹;黄苏和;宋保维;张招柱;罗莊竹
【期刊名称】《船舶力学》
【年(卷),期】2015(000)008
【摘要】疏水微形貌表面减阻是一种新型仿生减阻方法，也是国内外减阻研究领域的热点之一。

该文在分析天然及人造疏水微形貌表面界面一般特性的基础上，从壁面滑移流动、表面微形貌等角度总结了国内外疏水微形貌表面减阻理论研究的最新成果，然后分类给出了近年来疏水微形貌表面减阻微观及宏观试验的研究进展，最后分析了疏水微形貌表面可能的减阻机理及目前存在的技术问题。

【总页数】13页(P1011-1023)
【作者】胡海豹;黄苏和;宋保维;张招柱;罗莊竹
【作者单位】西北工业大学航海学院，西安 710072;西北工业大学航海学院，西安 710072;西北工业大学航海学院，西安 710072;中国科学院兰州化学物理研究所，兰州 730000;中国科学院重庆绿色智能技术研究院，重庆 400714
【正文语种】中文
【中图分类】O357.5
【相关文献】
1.超疏水表面减阻特性的研究进展 [J], 李小磊;张会臣
2.超疏水表面滑移理论及其减阻应用研究进展 [J], 王新亮;狄勤丰;张任良;顾春元
3.仿生超疏水表面减阻性能的研究进展 [J], 徐胜;叶霞;范振敏;陆磊;冯欢
4.仿生超疏水表面减阻性能的研究进展 [J], 徐胜;叶霞;范振敏;陆磊;冯欢
5.超疏水表面形貌对层流减阻的数值模拟 [J], 喻超;陈晓玲;孙蕾
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层流状态下超疏水表面流场建模与减阻特性仿真研究宋保维;袁潇;胡海豹【摘要】To our knowledge, there is almost no paper in the open literature dealing with what is mentioned in the title. Taking into account the micro-structural characteristics of a superhydrophobic surface, we use the Cassie model and the volume of fluid ( VOF) model to simulate its flow field in the laminar flow between two infinitively large plates. To do so, we apply structural grids to dividing the computing domain. Then we analyze the drag reduction characteristics of the superhydrophobic surface in terms of velocity distribution, pressure distribution, slide velocity and drag reduction rate. The simulation results, given in Figs. 4 through 17, and their analysis show preliminarily that; (1) there is pressure difference drag near the groove of the superhydrophobic surface, producing a low-speed whirlpool inside the groove and both the thrust effect and the vortex cushion effect; (2) the drag reduction rate of the superhydrophobic surface increases with increasing width of the groove, decreases with increasing space between grooves and increases with increasing flow velocity, but does not increase with increasing depth of the groove; (3) the rectangular groove is more effective for drag reduction than both the V-shape groove and the U-shape groove.%在充分发展层流状态下对具有规则微观结构的超疏水表面流场进行数值仿真研究,分析了超疏水表面流场的减阻特性.针对超疏水表面微观结构特点,采用Cassie接触模型,对计算域利用结构化网格进行划分,采用VOF多向流模型进行数值仿真.研究表明:超疏水表面凹槽附近产生压差阻力导致凹槽内部形成低速漩涡,产生推动效应与涡垫效应；超疏水表面减阻率随凹槽槽宽增大而增大,受凹槽深度影响不显著,矩形凹槽比V形凹槽与U形凹槽有更好的减阻效果.【期刊名称】《西北工业大学学报》【年(卷),期】2012(030)005【总页数】6页(P712-717)【关键词】超疏水表面;层流;减阻;滑移【作者】宋保维;袁潇;胡海豹【作者单位】西北工业大学航海学院,陕西西安710072;西北工业大学航海学院,陕西西安710072;西北工业大学航海学院,陕西西安710072【正文语种】中文【中图分类】O357.4所谓超疏水表面(Superhydrophobic surface)是指其上液滴的表观接触角大于150°的固体表面。

疏水表面减阻环带实验研究*宋保维1)†郭云鹤1)罗荘竹2)徐向辉3)王鹰1)1)(西北工业大学,航海学院,西安710072)2)(中国科学院重庆绿色智能技术研究院,重庆401122)3)(中国科学院兰州化学物理研究所,兰州730000)(2013年3月12日收到;2013年4月8日收到修改稿)针对疏水功能材料在流动减阻方面的应用,选取典型不同粗糙度、不同疏水性的功能涂层表面,通过新型环带实验研究了其阻力特性,并获得了相应的扭矩和减阻率曲线.实验采用测量圆盘带动环带旋转时的扭矩的方法间接计算环带表面所受的摩阻,突破了传统微管道实验在尺度上的限制,避免了水洞实验中影响因素过多的弊端,对疏水材料的宏观应用有着重要意义.实验证实了在宏观尺度下疏水涂层在低雷诺数时的减阻作用;但在高雷诺数时,减阻作用减弱,甚至部分涂层有增阻作用,而压差阻力的迅速增大是造成增阻的主要原因.通过对比分析认为:低雷诺数时,疏水特性对于减阻效果影响更大;而高雷诺数时,粗糙度起更大作用,甚至可能起到增阻的反效果.关键词:疏水表面,环带实验,粗糙度,减阻PACS:47.54.De,47.54.Jk,47.85.1b DOI:10.7498/aps.62.1547011引言受荷叶、芋头以及水稻等植物叶面疏水特性的启发,近年来,越来越多的国内外研究者开始关注疏水性表面在减小流体阻力、降低流噪声和海洋防污等方面潜在的良好应用前景.疏水表面与普通表面相比,除了材料的化学组成差异外,在表面微观结构方面也存在差别(疏水表面存在着复杂的微米、纳米或微纳米双重结构[1]),从而使得水介质在材料表面呈现出不同的润湿行为[2].本文则是主要关注疏水表面的减阻性能;虽然现在减阻技术众多[3,4],但改变运动体表面微结构及组成,构筑疏水性能的表面,具有经济简便,技术可行性强等明显优点.目前,关于疏水表面的制备方法和技术已经发展成熟[5−8],对于疏水表面减阻的理论研究[9,10]和数值模拟[11,12]也得到了充分的发展.另一方面,国内外学者也对疏水表面减阻进行了一定量的微通道试验和水洞实验:Ou等[13]用30µm的立方柱构建了间距为30µm的图纹表面,实验结果表明,水流经这种图纹表面的压力降低达40%,表观滑移长度大于20µm;黄桥高等[14]通过水洞实验测试了超疏水表面航行器模型的阻力特性,获得了其减阻特性曲线,并得到了超过20%的减阻效果.从已有的实验研究情况来看,国内外学者已充分证明了疏水表面具备一定的减阻作用.但这些实验或者因尺度较小(微小通道实验),只能研究低雷诺数下的减阻现象,从而无法说明疏水表面的宏观减阻效应并应用于实际应用;或者因为影响因素过多(水洞实验所测阻力包含成分较多,尤其是在高流速时,压差阻力和支杆阻力占的比重较大),而无法准确分析疏水表面的减阻性能.因此,为了准确表征大尺度疏水表面的减阻性能,本文在水洞实验的基础上与中船重工第七O二所拖曳水池实验室合作建立了大尺度疏水表面环带实验,分析了典型*国家自然科学基金重点项目(批准号:50835009)、国家自然科学基金(批准号:51109178)和陕西省自然科学基础研究计划(批准号: 2010JQ1009)资助的课题.†通讯作者.E-mail:songbaowei@c⃝2013中国物理学会Chinese Physical Society 疏水功能涂层表面的表面特性及减阻规律.2实验和数据方法2.1实验对象及方法环带实验测试对象如图1所示,其中圆盘(图1(a))起支撑作用,功能涂层均匀地喷涂于测试环带(图1(b)).环带内径为0.400m,外径为0.410m,平均直径0.405m;环带高度0.200m,内外测试面积共计0.509m2.环带实验在减压拖曳水池进行,水池尺度150m(长)×7.5m(宽)×4.5m(深).采用H390敞水动力仪进行测试,推力量程800N,扭矩量程50N·m,精度0.1%;转速采用编码器进行测量,精度0.1%.实验过程中圆盘带动环带旋转(图2所示),通过测量扭矩可以间接计算出圆盘和环带所受的阻力.考虑设备量程,实验最高转速15r/s,对应环带雷诺数超过2.0×107.环带在完全紊流流状态下(局部雷诺数大于1.0×107)的测试点达到了8个.图1环带实验研究对象图2环带实验示意图由于实验精度要求较高,必须避免环带旋转时出现震颤、摇摆等现象,因此,实验前首先对环带装置的同心度进行校准.如图3所示的校准现场图,校准确定了动力支杆位于圆盘圆心,并且保证了环带为绝对的圆形.另外,实验水深也会对实验精度产生影响,因此,在定转速条件下(10r/s),进行了不同轴线深度的实验以观察表面兴波对扭矩测量的影响.变深度实验结果见表1.图3环带装置同心度校准表1变深度实验结果序号转速/(r/s)深度/mm扭矩/N·m110.00020020.829210.00025021.194310.00030021.398410.00035021.445510.00040021.440从表1中可以看出,轴线深度达到300mm后,深度对扭矩测量的影响已经小于0.5%,而本次实验时环带装置轴线深度取H390动力仪最大深度600mm,达到1.5倍的环带装置直径(这一深度设置参考了螺旋桨敞水试验规范要求),可以满足实验精度需求.2.2数据方法实验过程记录转速n m和扭矩Q m,首先测试无环带时圆盘扭矩Q m0随转速n m的变化,并以此为基线;再测量装涂有聚氨酯底漆的环带时的扭矩Q m1,以及涂有功能涂层A—Ｄ的环带时的扭矩Q mA—Q mD.从敷有不同涂层的环带的测试结果中扣除无环带时的结果基线即可得到各涂层环带所受扭矩.然后通过扭矩计算摩擦阻力系数C f,分析方法如下:F f i=2(Q m i−Q m0)D,(1)对应的摩擦阻力系数为C f i=F f i0.5ρm(πDn m)2S.(2)以聚氨酯漆摩擦阻力系数C f1为对比的基础,分析A—D等4种功能涂层的减阻效果δf i,δf i=C f1−C f iC f1=Q m1−Q m iQ m1−Q m0.(3)3疏水表面实验表征3.1环带表面功能涂层改性处理本研究试验选用涂层改性处理LY12铝合金环带模型(基材为喷涂防锈底漆),测试其水动力学性能,从而研究功能涂层表面的减阻行为及其作用机理.配制上述功能涂料,用丙酮清洗LY12铝合金模型,于0.2—0.3MPa压力空气下喷涂处理铝合金模型,并于一定温度固化成型.所制备4种功能涂层(编号为涂层表面A—D)具备高粘结强度及优异耐介质性等实际工程应用性能,但其疏水性能和粗糙度等各不相同,如表2所示.表2功能涂层表面的理化特性序号测试项目性能指标A B C D1颜色及外观浅色浅色浅色浅色2表面硬度(铅笔)H1—H3H1—H3H1—H3H1—H3 3附着力级(划格法)1级1级1级1级4冲击强度/kg·cm505050505涂层厚度/µm555654586表面粗糙度/µm0.92 2.10 1.200.11 7疏水性:接触角/(◦)111123101838耐酸性(5%H2SO4浸泡100h)无变化无变化无变化无变化9耐碱性(5%NaOH浸泡100h)无变化无变化无变化无变化10耐盐性(5%NaCL浸泡100h)无变化无变化无变化无变化3.2疏水功能涂层表面SEM分析图4为四种实验测试涂层表面的不同放大倍数SEM图.从图4中可以清晰看到,4种涂层表面均为非光滑表面,具有复杂的表面微结构.涂层D表面致密、光滑,粗糙度较低;而涂层B和C表面较粗糙,其中涂层B表面粗糙度最大.另外,从SEM图右上角的接触角示意图可以看到,涂层B表面接触角较大,疏水性最好;而涂层D表面接触角较小,基本不具备疏水性.4实验结果与分析分别对底漆表面和4种涂层表面模型进行测试,实验转速n m=0.5—15r/s,共测量17个速度点.实验水温23.0◦C,密度997.97kg/m3,运动黏性系数0.9379×10−6m2/s.实验结果如表3所示,可以看到,测量得到涂层A—D的扭矩随着转速的增加而增加,符合定性规律.根据实验结果可以由(1)—(3)式计算出各涂层表面减阻率随转速的变化曲线,如图5所示.由图5可以看到,无论哪种涂层,低雷诺数下均有可观的减阻收益,该系列涂层的疏水微观结构在低雷诺数下减阻效果明显;但随着雷诺数的增加,减阻效果迅速下降,甚至在涂层B和涂层C上出现了增阻的情况.涂层A和D在高雷诺数下的减阻效果相当,约为1%.另外,不同涂层表面均在转速为4.0r/s(雷诺数3.5×106)附近出现并不显著的峰值,分析认为应是过渡流引起.图4四种涂层表面微观结构SEM图(a)涂层A表面;(b)涂层B表面;(c)涂层C表面;(d)涂层D表面表3不同涂层表面环带实验结果n m/(r/s)Q m0/N·m Q m1/N·m Q mA/N·m Q mB/N·m Q mC/N·m Q mD/N·m0.5 1.732 1.871 1.802 1.825 1.859 1.8511 1.764 2.063 2.003 2.027 2.051 2.0421.5 1.8762.394 2.348 2.378 2.389 2.3832 1.971 2.884 2.808 2.851 2.844 2.8392.5 2.1413.435 3.393 3.451 3.418 3.4093 2.325 4.136 4.052 4.169 4.107 4.0813.5 2.5054.898 4.836 4.998 4.887 4.844 2.709 5.786 5.722 5.967 5.775 5.7325 3.1857.8367.7528.227.8457.7566 3.75510.29910.2410.94910.37710.2077 4.4113.0412.90114.07613.2212.9298 5.16816.24616.14317.66916.55316.1089 5.99619.75319.721.85620.20919.58110.57.42125.76125.63428.78926.50125.447 129.00332.45732.29336.84733.61532.188 13.510.75240.10439.79845.90941.69139.709 1512.69448.48348.17250.564图5减阻率随转速的变化曲线由于疏水表面微结构尺寸过小,利用实验的方法很难探究到涂层表面减阻率随转速增加而降低的原因,因此,可以考虑采用数值模拟的办法对疏水表面进行仿真[15].本文采用雷诺平均的方法进行了数值模拟,模拟中所用的简化模型如图6所示,模拟结果与实验结果的变化趋势基本相同,即减阻率随水流流速的增加而降低.图7、图8分别为模拟的微凹槽附近的压力云图和速度矢量图.由图7可以看到,涂层表面由于微观结构的存在,而出现了压差阻力,推测认为:压差阻力的存在是疏水表面减阻率随速度增加而降低的主要原因.而从图8中的速度矢量图可以看到,凹槽中的速度漩涡减小了近壁面处的速度梯度和液固接触面积,从而减小了摩阻.图9为模拟的疏水微结构表面压差阻力与摩擦阻力所占比例随流速的变化曲线图.可以看到,压差阻力所占比重随流速增加而不断增加.当流速较高时,疏水表面降低的摩擦阻力已经被压差阻力的增加而大大抵消了,从而导致减阻率的降低.而高粗糙度疏水表面的压差阻力作用则更加明显,这也导致了高粗糙度表面在高速下的增阻.图6简化的疏水表面模型图7凹槽附近的压力云图另一方面,分别在低雷诺数和高雷诺数下对比分析4种涂层的疏水性和粗糙度对减阻率的影响,可以发现:低雷诺数时,环带实验的减阻情况与微小通道实验[13,16]结果相似(均有可观的减阻效果),证实了疏水表面在低雷诺数下的减阻效果,且疏水性较好的涂层B 和A 减阻率明显高于疏水性较差的涂层C 和D;而在高雷诺数时,疏水表面减阻作用减弱,且粗糙度较小的涂层D 和A 的减阻率则要明显高于具有较大粗糙度的涂层B 和C,这是对微小通道实验雷诺数范围较小的重要补充.因此得出:低雷诺数时,疏水特性对于减阻效果影响更大;高雷诺数时,粗糙度起更大作用,甚至可能起到增图8凹槽处速度矢量图图9不同阻力成分随速度变化曲线阻的反效果.这对以后工程应用疏水表面的制备具有重要的指导价值:当应用于速度较低的航行器表面时,应制备疏水特性更好的疏水表面;当应用于速度较高的航行器表面时,应制备具有更低粗糙度的疏水表面.5结论本文通过环带实验测试了疏水功能涂层表面的阻力特性,分析了疏水表面的表面特性及减阻规律,获得如下结论:1.采用环带装置配合高精度的动力仪是一种较好的间接测量摩擦阻力的方法,测试雷诺数可以达到107量级,实验结果稳定可靠.2.疏水涂层表面在低雷诺数下有较明显的减阻现象(均可超过10%),但是在高雷诺数下减阻效果减弱(约1%—3%),甚至部分涂层有增阻现象.3.低雷诺数时,疏水特性是影响减阻效果的主要因素;而高雷诺数时,粗糙度起更大作用.感谢中船重工第七0二研究所朱爱军、冯玉龙等老师在环带实验中给予的大力支持.[1]Feng L,Li S H,Li Y S,Li H J,Zhang L J,Zhai J,Song Y L,Liu B Q,Jiang L,Zhu D B2002Adv.Mater.141857[2]Luo Z Z,Zhang Z Z,Hu L T,Liu W M,Guo Z G,Zhang H J,Wang WJ2008Adv.Mater.20970[3]Zhang M,Geng X G,Zhang Y,Wang X N2012Acta Phys.Sin.61194702(in Chinese)[张盟,耿兴国,张瑶,王晓娜2012物理学报61 194702][4]Mei D J,Fan B C,Huang L P,Dong G2010Acta Phys.Sin.596786(in Chinese)[梅栋杰,范宝春,黄乐萍,董刚2010物理学报596786] [5]Saison T,Peroz C,Chauveau V,Berthier S,Sondergard E,Arribart H2008Bioinsp.Biomim.3046004[6]Xu F Y,Liu L J,Tan J,Liu B,Mei S2012Acta Phys.Chim.Sin.28693(in Chinese)[徐飞燕,刘丽君,覃健,刘贝,梅双2012物理化学学报28693][7]Wang X L,Liu X J,Zhou F,Liu W mun.472324[8]Wang D A,Liu Y,Yu B,Zhou F,Liu W M2009Chem.Mater.211198[9]Tretheway D,Meinhart C2004Phys.Fluids161509[10]Lauga E,Brenner M P,Stone H A2005Handbook of ExperimentalFluid Dynamics(New York:Springer)Chap.15[11]Kevin J,Daniel M,Brent W W2010Int.J.Heat Mass Transfer.53786[12]Chiu-On Ng,Henry C W Chu,Wang C Y2010Phys.Fluids22102002[13]Ou J,Perot B,Rothstein J P2004Phys.Fluids164635[14]Huang Q G,Pan G,Wu H,Hu H B,Song B W2011J.Exp.FluidMech.2521(in Chinese)[黄桥高,潘光,武昊,胡海豹,宋保维2011实验流体力学2521][15]Wang W X,Shi J,Qiu B,Li H B2010Acta Phys.Sin.598371(inChinese)[王文霞,施娟,邱冰,李华兵2010物理学报598371] [16]Choi C H,Kim C J2006Phys.Rev.Lett.96066001Investigation about drag reduction annulusexperiment of hydrophobic surface∗Song Bao-Wei1)†Guo Yun-He1)Luo Zhuang-Zhu2)Xu Xiang-Hui3)Wang Ying1)1)(College of Marine,Northwestern Polytechnical University,Xi’an710072,China)2)(Chongqing Institute of Green and Intelligent Technology,Chinese Academy of Sciences,Chongqing401122,China)3)(Lanzhou Institute of Chemical Physics,Chinese Academy of Sciences,Lanzhou730000,China)(Received12March2013;revised manuscript received8April2013)AbstractFor the drag reduction application of hydrophobic material,the drag characteristic of typical surface with different roughness or different hydrophobicity is studied by a new annulus experiment.The corresponding torque characteristic and drag reduction rate curve are acquired.The experiment indirectly calculate the surface friction of the annulus by measuring the torque of disk driving annulus and breaks through the limitation of scale in traditional microchannel experiment,avoids the drawbacks of too many influencing factors in water-tunnel experiment,and has important significance in macro application of hydrophobic material.The drag reduction effect of hydrophobic surface is proved at low Reynolds number in macroscale;however,at high Reynolds number,it will be weakened or even changed to drag producing effect,and the rapid increase of pressure drag is the major reason for increasing resistance.Through comparative analysis wefind that at low Reynolds number,there will be greater effect of hydrophobicity for drag reduction;where as at high Reynolds number,the roughness will play a greater role,and may even be counterproductive to the increasing resistance.Keywords:hydrophobic surface,annulus experiment,roughness,drag reductionPACS:47.54.De,47.54.Jk,47.85.1b DOI:10.7498/aps.62.154701 *Project supported by the Key Program of the National Natural Science Foundation of China(Grant No.50835009),the National Natural ScienceFoundation of China(Grant No.51109178),and the Natural Science Basic Research Plan in Shanxi Province of China(Grant No.2010JQ1009).†Corresponding author.E-mail:songbaowei@。

2007年12月第32卷第12期润滑与密封LUBR I CATI O N ENGI N EER I N GDec 12007Vol 132No 1123基金项目:国家自然科学基金重点项目(50435030);教育部新世纪优秀人才支持计划项目;江苏省六大人才高峰项目1收稿日期:2007-08-14　联系人:周明,E 2mail:z m _laser@1261com 1作者简介:叶霞(1973—),女,博士研究生1E 2mail:yexia@jstu 1edu 1cn 1粘度对超疏水固体表面减阻影响的实验研究3叶　霞1,2　周　明1　袁　润1　李　健1　李　刚1　蔡　兰1(11江苏大学光子制造科学技术中心　江苏镇江212013;21江苏技术师范学院机械工程学院　江苏常州213015)摘要:为了研究流体粘度对微细结构固体表面减阻特性的影响,用飞秒激光加工技术在光滑K9玻璃表面加工出光栅微细结构,并对光滑K9玻璃和光栅结构K9玻璃表面进行硅烷化处理,用AR 2G2流变仪测量了不同粘度甘油溶液在两表面的扭矩与剪切速率,根据推导出的减阻率计算公式,计算出它们各自的减阻率。

结果表明:超疏水光栅微结构表面与疏水光滑表面相比具有明显的减阻特性;微细结构固体表面的减阻效果随着流体粘度的增加而显著提高。

关键词:微细结构;粘度;减阻;超疏水中图分类号:O35715　文献标识码:A 文章编号:0254-0150(2007)12-056-2Experim ent a l Research on the Effect of Viscosity on DragReducti on of Superhydrophobi c Soli d SurfaceYe Xi a1,2　Zho u M ing 1　Yua n R un 1　L i J ia n 1　L i Ga ng 1　C a i La n1(1.J iangsu University,Zhenjiang J iangsu 212013,China;2.Jiangsu Teachers University of Technol ogy,Changzhou J iangsu 213015,China )Abstract:To study the effect of viscosity on drug reduction characterization on solid surface with m icr ostructure,thegrating m icrostructures on the K9glass surface were fabricated by using fem t osecond laser .The flat and grating m icr ostruc 2ture K9glasses surfaces were modified with tricol or perfluoroocty silane in drying oven .The t orques and shear rates over both surfaces for different viscosity glycerin s olutions were measured with AR 2G2rheometer,the drug reduction ratios of each situati on were calculated .It indicates that there is more remarkable drag reduction on the superhydr ophobic grating m icr ostructure surface than on the hydr ophobic flat surface,the reducti on effect of s olid surface with m icr ostructure increa 2ses markedly as the viscosity of the tested fluids increases .Keywords:m icr ostructure;viscosity;drug reduction;superhydrophobicity　20世纪70年代以前,人们对减阻的研究主要是从减小表面粗糙度入手[1]。

超疏水表面减阻特性的研究进展李小磊;张会臣【摘要】超疏水表面具有减阻效果,在提高管道传输效率、降低水下航行体和微流体器件中流动阻力等方面有着广阔的应用前景.介绍超疏水表面的制备、滑移理论以及减阻特性的研究,讨论微尺度下表面润湿性、表面微结构和流场流动状态对壁面减阻的影响,对超疏水壁面减阻的物理机制进行总结,并指出气体层不连续模型和气穴模型是分别适用于光滑疏水表面和带微结构超疏水表面的减阻模型.介绍超疏水表面减阻特性的一些应用,提出将超疏水表面应用到微流体系统中面临的问题,如微通道壁面疏水性的制备及其减阻效果的耐久性.【期刊名称】《润滑与密封》【年(卷),期】2016(041)010【总页数】7页(P116-122)【关键词】超疏水表面;减阻;表面润湿性;微结构;流场【作者】李小磊;张会臣【作者单位】大连海事大学交通运输装备与海洋工程学院辽宁大连116026;大连海事大学交通运输装备与海洋工程学院辽宁大连116026【正文语种】中文【中图分类】TH117.1近年来，具有防污自清洁、防水防潮、抗结冰、流体减阻、表面防护等特性的超疏水表面在工业生产和人们日常生活的诸多领域显示出诱人的应用前景[1-2]。

例如，具有自清洁功能的汽车玻璃和玻璃外墙，能够有效防止冰雪覆盖的输电线路，能够降低航行阻力的潜艇表面等，特别是在微流动系统中，超疏水表面能够改变液体流动的状态，对微流体系统实现特定的功能尤为重要。

因此，超疏水表面减阻特性的研究引起研究者的广泛关注。

对具有微结构的表面进行疏水化处理，液体在超疏水表面上流动时产生壁面滑移，壁面滑移减小了层流和湍流流动中的阻力。

随着微流体系统中微通道尺寸的减小，界面阻力增大，因此具有减阻功能的超疏水表面是微流体系统开发的关键。

本文作者从超疏水表面的制备、滑移理论、减阻机制等方面作了详细的综述和总结，旨在为超疏水表面在微尺度下的应用提供参考。

人类对超疏水表面的认识最早是从自然界开始的，其中广为人知的例子就是荷叶，首先发现荷叶表面不沾水这一特殊现象的是德国波恩大学的生物学家NEINHUIS 和BARTHLOTT[3]，称这种现象为“荷叶效应”。

超疏水表面微结构对其疏水性能的影响及应用一、本文概述超疏水表面，也称为超防水表面或荷叶效应表面，是指具有极高水接触角和低滑动角的固体表面。

这种特殊的表面性质使水滴在其上几乎无法附着，即使附着也能轻易滚落，因此具有自清洁、防腐蚀、防结冰、防雾等独特功能。

超疏水表面的这些特性在材料科学、物理学、化学、生物学、机械工程、航空航天、建筑等领域具有广泛的应用前景。

超疏水表面的特性主要来源于其独特的微结构，这些微结构可以在微米甚至纳米尺度上影响水滴与固体表面的接触行为。

因此，研究超疏水表面微结构对其疏水性能的影响，对于理解超疏水表面的作用机制、优化超疏水表面的制备工艺、拓展超疏水表面的应用领域具有重要的理论价值和实际意义。

本文旨在全面系统地探讨超疏水表面微结构对其疏水性能的影响，包括微结构的类型、尺寸、分布等因素对超疏水性能的影响机制。

本文还将介绍超疏水表面的制备方法、应用领域以及存在的挑战和未来的发展方向。

通过本文的研究，我们期望能够为超疏水表面的进一步研究和应用提供有益的理论支持和实践指导。

二、超疏水表面微结构的基本原理超疏水表面，也称为超防水表面或荷叶效应表面，是一种具有特殊微纳米结构的表面，其水接触角大于150°，滚动角小于10°。

这种表面具有优异的防水性能，水珠在其表面难以停留，极易滚动脱落。

超疏水表面的微结构原理主要基于两个方面：表面粗糙度和表面化学组成。

表面粗糙度对超疏水性能的影响至关重要。

通过构建微纳米尺度的粗糙结构，可以大大增加固体表面的实际面积，从而在表面与水滴之间捕获更多的空气，形成稳定的空气垫。

这种空气垫的存在显著减少了固体表面与水滴的直接接触面积，降低了表面能，从而提高了表面的疏水性能。

表面化学组成也对超疏水性能产生重要影响。

通过引入低表面能的物质，如氟硅烷、长链烷烃等，可以降低固体表面的自由能，进一步提高其疏水性能。

这些低表面能物质可以在微纳米结构表面形成一层自组装单分子层，进一步减少水滴与固体表面的接触，增强超疏水效果。

超疏水表面滑移理论及其减阻应用研究进展王新亮;狄勤丰;张任良;顾春元【摘要】减阻技术对提高原油采收率、降低液体流动阻力具有十分重要的意义.通过论述超疏水表面结构的基本理论、超疏水表面形成的主要影响因素和近年来仿生超疏水表面的制各方法,综合分析了超疏水表面滑移理论和基于这一理论的减阻技术的研究进展,并简单介绍了其存石油储层微孔道纳米降压减阻方面的应用,展望了超疏水表面滑移理论及其减阻技术的研究重点及应用前景.【期刊名称】《力学进展》【年(卷),期】2010(040)003【总页数】9页(P241-249)【关键词】超疏水;润湿性;表面滑移;减阻;纳米颗粒吸附法【作者】王新亮;狄勤丰;张任良;顾春元【作者单位】【正文语种】中文近年来,随着扫描电子显微镜 (scanning electron microscope,SEM)的出现,人们观察到了荷叶的表面微结构,研究表明,正是由于这种微结构的存在,使得荷叶具有良好的超疏水和自清洁效应[1].Barthlott等[2]把荷叶的这种行为称之为“荷叶效应”.Cottin等[3]研究发现,具有类荷叶表面的这种微纳米结构的超疏水表面可以明显降低流动的阻力,越来越多的实验和模拟结果表明具有微结构的超疏水表面可以出现明显的滑移现象.Choi等[4]通过实验研究发现,当他们制备的“纳米草皮”表面表现为超疏水性时,滑移长度能够达到几十微米.Li等[5]利用分子动力学模拟表明,当表面的微结构高度达到微米量级时,滑移长度接近50µm.基于超疏水表面的疏水性和滑移效应,人工制备的超疏水表面在工业生产和人们的日常生活中的应用越来越广泛.例如,汽车挡风玻璃、建筑物的门窗、天线表面的防雪防雨[6]、水下航行器表面减阻[7]、石油储层微孔道的表面改性及注水阻力降低技术等[8∼10].本文主要对超疏水表面的物理基础、相关润湿性理论、仿生超疏水表面、表面滑移理论及与之相关的减阻技术的研究进展作一较详细的综述与分析,并对其在石油降压增注中的应用进行简单描述.通常所说的超疏水表面是指接触角大于150◦、滚动角小于10◦ 的表面.Young[11]给出了光滑表面的关系式式中,θY表示该光滑表面的本征接触角;γsv,γsl和γlv分别代表固/气、固/液和液/气之间的表面张力.从上式可以看出,只要知道三相之间的表面张力,就可以求出表面接触角.但是平面是一种非常特殊的接触面,绝大多数接触面都是非平面的情况.Wenzel[12]针对具有一定粗糙度的表面,引进了表面粗糙度因子r并提出如下修正后的关系式式中,θW表示 Wenzel模型下表面的表观接触角;粗糙度因子r定义为固体表面的真实接触面积与表观接触面积之比.由于粗糙度因子r总是大于1,因此对于疏水表面 (接触角大于90◦)来说,粗糙表面的接触角总是大于同样情况下光滑表面的接触角.对于由空气和固体材料组成的复合表面,Cassie和Baxter[13]提出这里,θc表示 C-B模型下表面的表观接触角;ϕs表示固/液界面的面积分数.从上式中可以看出,粗糙表面的表观接触角随着固/液接触面的减少而增加,图1为3种接触角模型.Onda等[14,15]研究了不规则的分形结构,并给出了如下的接触角计算公式式中,θf表示不规则分形结构下表面的表观接触角;(L/l)D−2表示表面粗糙因子;L和l分别表示具有分形结构表面的上限和下限尺度;D是分形维.通过变换粗糙因子r=(L/l)D−2,上式可以写成如下形式上式描述了具有分形结构粗糙表面的接触角和光滑表面的接触角之间的关系.图2是Barthlott[2]用SEM观测到的荷叶表面.从图中可以清晰的看到荷叶表面的双层结构,即微米级的乳突和纳米级的蜡晶,正是这种微纳米结构增强了表面粗糙度,从而构成了荷叶表面的超疏水和自清洁特性[1].测试结果表明,新鲜荷叶表面接触角可达160◦,而滚动角只有2◦左右.Cheng等[16]通过实验分别对新鲜的荷叶、干燥的荷叶和经过焙烧的荷叶表面进行了观测,结果显示加热到150◦之后,荷叶表面的微纳米双层结构消失,同时此时的荷叶不再具有超疏水性能和自清洁效应,这就从实验的角度验证了,正是由于表面的微纳米双层结构,才使荷叶表现出超疏水和自清洁性能.Gao等[17]和Autumn等[18]分别发现了水黾腿部和壁虎脚上同样具有微纳米复合结构,并且具有超疏水特性.Marmur[19]分析了以抛物状假设的乳突以及相互之间的距离与产生超疏水表面的关系.结果表明,荷叶的这种双重微纳米结构使得液滴不容易侵入微结构,乳突之间的距离与形状非常有利于产生超疏水表面.李鼎[20]研究了以均匀球形颗粒修饰表面的润湿状况,并提出了形成复合表面的临界覆盖率计算公式式中,θs表示基底的接触角,θp表面纳米颗粒的接触角,∆P为液体和气体的压强差,γlv表示气液间表面张力,rp表示球形颗粒的半径.Patankar[21]认为表面从复合润湿状态向完全润湿状态转变时,表观接触角变化越小就说明该表面越稳定,适当调整微结构之间的距离可以得到理想的稳定的超疏水表面.Extrand[22,23]和 Gao等[24]研究发现决定表面润湿性的是三相接触线而非接触面.Extrand[22,23]提出只有满足接触线密度大于临界接触线密度,同时粗糙高度大于临界粗糙高度时,才可能产生超疏水表面.任露泉等[25]根据典型植物表面性能建立了理想疏水表面的数学模型,并对它们的性能进行了研究.Masashi等[26]通过对不同粗糙度表面润湿角的观测,讨论了超疏水表面上表面粗糙度对润湿角的影响,提出了液滴是否侵入微结构是影响接触角滞后的一个重要因素.Gao等[27]分别从动力学和热力学角度进行分析,通过对仅具有微米级结构和同时具有微、纳米结构的表面对比发现,微纳米双重结构可以明显的减少接触角滞后现象.滚动角大小可以导致不同的亲润性能.Neinhuis和 Barthlott[28]的调查结果显示有很多植物的表面虽然具有很大的接触角,但是由于它们的滚动角也很大,因此它们不具有疏水性能.Johnson和Dettre[29]研究了前进角和后退角与粗糙度的关系,发现增加接触面的粗糙度不仅可以使接触角变大,而且还可以减小接触角滞后现象,从而进一步增加接触面的疏水性能.Furmidge[30]从前进角和后退角方面提出了如下关系式式中,α为表面滚动角,m和w分别表示液滴的质量和半径,θR和θA分别表示液滴在表面上的后退角和前进角.从式中可以看出滚动角的大小不仅仅和后退角、前进角有关系,还与液滴的大小、半径和表面张力有关.Extrand等[31,32]通过对不同液体在不同表面的流动参数测量,对接触角滞后现象进行了研究,并提出表面化学性能对接触角的影响强于表面粗糙度的影响.人们一般通过在疏水材料 (接触角大于90◦)表面构建粗糙结构和在粗糙表面上修饰低表面能的物质来制备超疏水表面.研究发现,自然界所有物质中含氟材料的表面能最低,当聚合物中单体含氟量大于5%时,膜的表面已具备了良好的疏水性能,与水的静态接触角一般都能大于110◦[33].然而,通过实验研究表明:即使采用最低表面能的氟硅烷单分子自组装修饰的光滑表面的接触角也不会超过120◦.根据 Wenzel和Cassie模型,增加表面粗糙度可以使原来疏水的表面更加疏水,于是人们研究了多种方法来制备仿生超疏水表面,例如嵌段共聚物的微相分离法、溶胶-凝胶法、激光刻蚀法、溶剂挥发法、模板法、升华法、熔融烷基正乙烯酮二聚体 (AKD,一种石蜡)的固化,聚四氟乙烯(PTFE)存在时聚丙烯(PP)的等离子体聚合 (或刻蚀)、微波等离子体增强化学气相沉积法(MWPE-CVD)、阳极氧化法等[34].这里简单介绍几种制备仿生超疏水表面的方法.Nakajami等[35]研发了一种可以增强表面超疏水性能的透明薄膜.结果显示:这些薄膜的表面接触角从148.1◦±1.70◦(TiO2含量的质量百分比为 0%)到155.6◦±1.0◦(TiO2含量的质量百分比为71%)不等,表面接触角随着TiO2含量的增加而增加.Erbil等[36]通过实验,分别研究了聚合物浓度、形成薄片时的温度对表面均匀性、表面粗糙度以及与水接触角的影响,结果显示:经处理后粗糙的聚丙烯表面接触角可以达到149◦.实验还研究了甲乙酮、环己酮和异丙醇作为沉淀剂的情况,其中甲乙酮表现出很好的均匀性和很高的表面接触角(160◦).Li等[37]通过高温热解金属酞菁法得到碳纳米管层,真空干燥,并先后用强酸和十七氟癸基三甲氧基硅烷修饰制备了具有“超双疏”性能的碳纳米管.测试结果显示,该表面同时具有疏水和疏油性质,与水和油的表面接触角都超过了160◦.Liu等[38]通过新鲜荷叶和聚二甲基硅氧烷烘烤制成刻板,用软光刻技术仿制出具有超疏水性能的表面,其接触角可以达到154.6◦.Feng等[39]把聚丙烯睛、二甲基酰胺和去离子水混合液倒入有聚四氟乙烯涂层的阳极氧化铝基板,固化成形并真空干燥,得到的表面的接触角可以达到173.8◦± 1.3◦.Feng等[40]首次通过用两性分子聚合物合成了超疏水表面.他们把聚乙烯醇溶解在脱氢去离子水中充分搅拌,用Na2SO4作为固化剂,在氧化铝薄膜基板上合成纳米结构表面.结果显示,该疏水表面的接触角达到171.2◦.通过把聚四氟乙烯、聚乙烯醇、多乙酸乙烯酯、十二烷基苯磺酸钠和蒸馏水组成的混合乳液均匀洒在孔径为30∼420mm的不锈钢网格上,350◦干燥成型,得到了与水接触角超过150◦、与柴油接触角接近0◦的表面,这种方法制得的表面可以方便地进行油水分离[40,41].把聚丙烯腈纳米纤维薄膜在220◦空气中通过环化反应,接着在900◦氮气中干馏成型,首次合成了在全pH范围内都表现为超疏水特性的表面[42].Zhao等[43]利用溶剂诱导结晶法,通过聚碳酸脂溶剂制备出类似荷叶结构的超疏水表面,结果表明,光滑的聚碳酸脂板的接触角为79◦,表面覆盖一层丙酮后,出现100∼200nm的乳突,接触角为130.0±5.9◦,利用“模板滚压法” 后得到28.3±2.1nm的乳突,接触角为145◦,在覆盖丙酮并加入凝结剂后得到接触角为159.7± 1.1◦、滚动角仅为6± 1◦的表面.Shibuichi等[44]用阳极氧化法得到表面粗糙的氧化铝基材,用氟化单烷基磷酸酯进行处理后,得到的表面与菜籽油的接触角达150◦,同时与水的接触角达170◦,具有超双疏性能.徐建海等[45]分别用溶液法和热压法在阳极氧化铝基板上制备出具有微纳米结构的聚苯乙烯超疏水表面,并对表面结构、制备方法和制备材料对表面润湿性能的影响进行了研究.Saison等[46]用高温纳米刻痕法在硅凝胶薄膜上成功复制出类似蝴蝶翅膀和荷叶表面的纳米结构,测量结果发现:该薄膜的接触角可达160◦,在200◦C∼ 500◦C 之间退火处理后,可以实现从超疏水到超亲水的转换.Bico等[47]根据超疏水的纳米结构表面特征,分别制备出凹坑状纳米表面、条纹纳米表面和锯齿状纳米表面.研究结果表明:锯齿状表面由于其固/液接触面最小,表现出最好的疏水性能,其表面接触角为167◦,具有超疏水性能.段辉等[48]在醇溶性氟树脂溶液中,以正硅酸乙酯和甲基三乙基硅烷为前驱体,并掺杂聚四氟乙烯,以两步催化溶胶-凝胶法,制备了有机 -无机复合涂层,测量得到的接触角可达155◦,具有较强的超疏水性能.尽管已有越来越多的文献报道出各种超疏水表面的合成方法,但是面临的实际问题还比较多.比如采用高粗糙度表面会降低材料的透明性,因此不能满足对透明度要求较高的场合.另外,合成表面的机械强度、低分散性、老化性能等的研究还远远不够[45,49].普通的固体表面由于其较强的残余化学键,表现出很高的表面能,对流体分子具有很强的吸附力,一般很难产生滑移[50].超疏水表面之所以表现出超强的疏水性能,一方面是由于固体表面的粗糙度造成的,而另一方面则是超低表面自由能所引起的[33].因此,对于超疏水表面,固体表面分子与液体分子间的吸引力很容易被流体流动所带来的剪切力平衡掉,从而更容易在固体表面形成速度滑移[50].Lauga等[51]对固体表面粗糙度、纳米气泡、润湿性、剪切率等因素进行了全面的分析与总结,他指出:根据尺度的大小,固体表面粗糙度和表面形态既可以增加滑移也可以减小滑移;改变固体表面的润湿性可以产生不同的滑移长度,并且随着疏水性的增加,滑移长度也在增加.大量研究表明:固/液界面间的纳米气层是产生较大滑移长度的主要原因;无论是固体表面粗糙度、润湿性还是剪切率对滑移的影响本质上都是固/液表面分子间作用的结果.Pit等[52]通过实验研究发现,随着液体分子与固体表面分子间相互作用力的减小,表现出的滑移效应越来越明显.超疏水表面的一个突出的性质是滑移效应的出现,这一点已被广泛认可[3∼5,52∼58],但是目前对产生滑移的原因还存在着各种解释.Zhao等[59]通过水槽和水洞实验,研究了超疏水表面在不同流动条件下的减阻特性.Tretheway等[60,61]利用粒子成像测速技术 (PIV)观测流体流经30µm×300µm的微管中的速度剖面,结果显示:当管壁为亲水表面时,速度符合无滑移边界,但是当在管壁上覆盖一层2.3nm厚的OTS涂层(十八烷基三氯硅烷)后,管壁变为疏水,这时产生明显的速度滑移,计算得到的滑移长度为0.92µm,并且提出了以纳米气泡或者表面低密度流体层引起疏水表面产生滑移的机理.Tyrell等[56]通过原子力显微镜观测到超疏水表面不规则地排列着半径为100nm,高度为20∼30nm的纳米气泡,而这些气泡的稳定性与气泡的形态、形成时间有关.Lum等[62]认为一定的气隙或者气层是疏水表面产生滑移的原因.Choi等[4]考察了流体流过疏水表面的滑移情况,在疏水表面上,测得滑移长度与剪切率成正比,在剪切率为105s−1时,滑移长度约为30nm.他们还通过实验的方法[58,63]观测到在经表面粗糙处理的3µm的微管中,可以产生100nm∼200nm的滑移长度.Zhu等[64]考察了表面粗糙度和液体表面分子相互作用力对边界条件的影响关系,在表面同为疏水的情况下,根据无滑移边界,表面临界剪切率随着粗糙度的增加成指数增长,在光滑情况下,分子间作用力起主要作用;在粗糙情况下,粗糙度起主要作用.纳米效应的滑移理论分为表观滑移理论和气液复合滑移理论.由于滑移速度的产生,在同样的压差下,有滑移的管道的流量必然大于无滑移速度的流量,Lauga[51]提出式中,R为管道半径,Qslip和Qnon-slip分别代表存在滑移速度的流量和没有滑移速度的流量,δ为滑移长度.实验研究表明,对于光滑表面,滑移长度一般在几百纳米左右.Barrat等[53,54]和Voronov等[65]分别用分子动力学模拟的方法得到了接触角与滑移长度的关系.Barrat等[54]发现在接触角为140◦的微管表面,计算出的滑移长度达到30个分子直径.顾春元[9]和李鼎[20]根据 Knudsen数 (系统中分子的平均自由程和系统尺寸的比值)的大小估算出当系统尺度在微米以上时,厚度为1µm的气层可以产生54µm的滑移长度,而当系统尺度小到纳米级别时,估算出的滑移长度约为7µm.李鼎[20]根据平均阻尼系数方法,给出了球形颗粒修饰表面的滑移长度表达式式中,dp为颗粒直径,R为颗粒覆盖率,δs和δv分别表示固/液界面和气/液界面的滑移长度.顾春元[9]以单层吸附为假设建立了纳米颗粒吸附微管道的滑移模型,推导出如下滑移长度表达式式中,r0为微管的内半径,q为单管流量,dp为纳米颗粒的粒径,▽p为微管两端压力梯度,µ为流体黏度.吸附了疏水纳米颗粒的微孔道上表现出明显的滑移特性,这就相当于增加了微孔道的有效半径,从而增加注水量,降低微孔道两端的注水压力,这就是疏水纳米颗粒吸附法降压减阻的基本思想.近年来,随着疏水表面滑移效应的发现,人们开始重视研究基于疏水表面滑移效应所产生的减阻新技术.田军等[66]研究了以改性硅橡胶、聚氨脂树脂为主的低表面能涂层在平板上的减阻性能,结果表明,有涂层下平板的阻力比无涂层下降低18%∼30%.Watanabe等[67]研究了内壁覆盖氟烷烃改性的丙烯酸树脂条纹的超疏水圆管的减阻性能,实测的压强-速度剖面曲线表明,当雷诺数为500∼10000时,阻力下降达14%,对应的滑移长度达450µm.Bechert等[68]受到鲨鱼表皮三维肋条结构的减阻性能的启发,从实验出发研究了具有类似结构的新型机翼表面的减阻性能,结果表明这种表面比光滑的机翼表面剪应力降低 7.3%.Koeltzsch等[69]研究了具有分叉型肋条结构的管道内壁表面的减阻性能,以及不同肋条结构的影响效果,这为输油管道内壁的减阻方法提供了新思路.Ou等[70]用30µm 的立方柱构建了间距为30µm的图纹表面,实验结果表明,水流经这种图纹表面的压力降低达 40%,表观滑移长度大于20µm.徐永生等[71]分别对光滑的、粗糙的、亲水的和疏水的平板在水槽中进行力和流场的测量,发现壁面的疏水性和几何结构的共同作用才可能产生明显的壁面滑移减阻效果.王家楣等[72]从船首底部喷气生成微气泡出发研究了不同雷诺数、不同微气泡浓度下的减阻试验,为微气泡减阻技术的应用提供了依据.Truesdell等[73]测量了通过低雷诺数剪切流时,由硅橡胶PDMS修饰的微结构表面上的作用力以及速度大小,验证了超疏水表面的减阻性能.陈丽莉.[74]根据蚊子等昆虫的刺吸式口器的结构与典型动植物的非光滑结构,对普通注射器针头进行了仿生非光滑表面结构组合设计,并对其影响因素进行了研究,结果表明,仿生注射器针头的减阻率可达44.5%.刘博等[75]从盾鳞的结构、形态和功能方面研究了沟槽形鲨鱼盾鳞肋条结构的减阻性能并介绍了其仿生材料模型的设计与测试方法.蒋雄等[76]提出采用气相沉积结合原位反应渗透等工艺制备疏水、耐磨、耐腐蚀、结合力好的减阻疏水表面.Daniello等[77]在具有规则微结构的表面通过测量表面速度、剪切力以及压强发现,减阻效果可达50%.徐中等[78]采用标准κ-ε湍流模型对凹坑形表面在空气介质中不同条件下的流动进行了模拟,得到的最大减阻率达到7.2%.柯贵喜等[79]对水下减阻技术研究进行了综述,重点介绍了脊状表面减阻、微气泡减阻和超疏水表面减阻的研究现状.Zhao等[59]从边界层理论,探讨并分析了超疏水表面的微观模型及滑移长度与粘性阻力的关系.由以上研究发现,疏水表面的减阻效果不仅与表面微结构、表面能大小有关,还与微结构的排布状态、流体的状态等因素有关.受到荷叶表面微结构的超疏水特性和Choi等发现的超疏水表面的滑移性质的启发,上海大学狄勤丰课题组从2002年开始了石油储层微孔道纳米颗粒吸附法降压减阻的研究.针对亲油性低渗透油田存在的高压欠注问题,狄勤丰等[80]采用疏水纳米颗粒在岩心表面吸附构建出具有类似荷叶的微纳米结构的表面,接触角测试结果表明此时岩心表面的接触角均大于120◦,最大接近150◦,滚动角约为7◦. 图 3为吸附纳米颗粒后岩心表面的接触角和扫描电镜图像,可以看出在吸附了纳米颗粒后,岩心表面及其孔喉内覆盖了一层纳米颗粒,具有类似荷叶表面的微纳米结构从而表现出强疏水性.室内岩心流动实验[81]表明,经纳米分散液处理后的岩心,渗透率有了较为明显的提高,提高幅度达19%∼87%.LBM 模拟结果表明,此时的表面滑移长度约为36nm[82],而利用疏水微管道进行的减阻实验所得的滑移长度可达83.5nm[83]. 据此,狄勤丰等[8]提出了以疏水性纳米颗粒吸附层使岩石表面特性体现为强或超疏水性,进而产生水流速度滑移效应的纳米颗粒吸附法减阻机理. 课题组分别通过岩心薄片吸附试验[9]、疏水纳米颗粒吸附微管道减阻实验、岩心流动实验[84]以及LBM模拟的方法[83]对该机理进行了深入的研究.评价实验表明,纳米降压减阻技术可使岩心的渗透率平均提高 47%,通过江苏油田的矿场实验表明,油井降压幅度最高达12.5MPa,有效期超过8个月[9].超疏水表面的滑移减阻效应具有非常广泛的应用前景.近年来随着人们对超疏水表面更加深刻的认识,人们已经在理论模型、影响因素分析、人工合成等多个方面展开研究并取得了一定的成果.但是超疏水表面产生的滑移效应的实际应用还很少.首先,这主要局限于现有超疏水表面的制备方法还仅限于研究阶段,制备条件苛刻、低表面能涂层价格昂贵、使用周期短等特点,使得大规模生产超疏水表面还难以实现.其次,由于模拟中得到的滑移长度比实验中测得的滑移长度要小,因此超疏水表面和滑移长度的理论联系应进一步分析,产生此效应的机理还有待进一步研究.再次,对于超疏水的微管道壁面,微纳米结构的排布还难以控制.最后,鉴于超疏水表面表现出的滑移减阻效应,可以断定,基于超疏水表面滑移效应的减阻技术将在机翼设计[68]、注水器针头[74]、水下航行器表面[7]、输运管道[69]等方面具有非常广泛的工业应用前景.Keywords super-hydrophobic,wettability,surface slip,dragreduction,nanoparticles adsorbing method【相关文献】1 Feng L,Li S,Li Y,et al.Super-hydrophobic surfaces:from natural to artif i cial. Adv Mater,2002,14(24):1857∼18602 Barthlott W,Neinhuis C.Purity of the sacred lotus,or escape from contamination in biological surfaces.Planta,1997,202(1):1∼83 Cottin BC,Barrat JL,Bocquet L,et al.Low-friction f l ows of liquid at nanopatterned interfaces.Nat Mater,2003,2(4):237∼2404 Choi C,Westin K,Breuer K.Apparent slip f l ows in hydrophilic and hydrophobic microchannels.Physics of Fluids,2003,15:2897∼29025 Li D,Di QF,Li JY,et rge slip length over a nanopatternedsurface.Chin.Phys.Lett,2007,24(4):1021∼10246 Lai SCS.Mimicking nature:Physical basis and artif i cial synthesis of the lotus-ef fect:[dissertation].Friesland:University of Leiden,20037侯智敏.水下航行器低表面能涂层减阻研究:[硕士论文].陕西:西北工业大学,20078狄勤丰,顾春元,施利毅等.疏水性纳米SiO2增注剂的降压作用机理.钻采工艺,2007,30(4):91∼94 9顾春元.石油储层微孔道纳米减阻机理研究:[博士论文].上海:上海大学,200810狄勤丰,沈琛,王掌洪等.纳米吸附法降低岩石微孔道水流阻力的实验研究.石油学。

疏水剂研究报告1. 引言疏水剂是一种能够降低物体表面张力并使其具备良好疏水性的材料。

在实际应用中，疏水剂广泛用于涂层、纺织品、医疗器械等领域。

本报告旨在对疏水剂的研究进展进行综合分析，并探讨其应用前景。

2. 研究方法本研究采用了实验和文献调研相结合的方法，通过实验观察和数据分析，结合相关文献资料，对疏水剂的性质、合成方法和应用进行了探讨和总结。

3. 疏水剂的性质疏水剂具有以下主要性质：•降低表面张力：疏水剂能够降低物体表面的张力，使其表面更加平滑。

•提高表面疏水性：疏水剂能够使物体表面呈现较高的疏水性，使水滴迅速滑落而不易沾附在表面上。

•耐高温和耐腐蚀性：疏水剂在高温和腐蚀性环境下能保持其性能稳定。

4. 疏水剂的合成方法目前，常用的疏水剂合成方法包括：•化学修饰法：通过在材料表面引入亲水基团或疏水基团，改变材料表面的化学性质，从而达到疏水的效果。

•结构调控法：通过结构设计和改变材料的微观形貌，使其表面具备微纳米结构，从而增强表面的疏水性能。

•涂层法：利用特定的涂层材料覆盖在物体表面，形成一层疏水保护层。

5. 疏水剂的应用领域疏水剂在众多领域具有广泛的应用前景：5.1. 涂层领域疏水涂层广泛应用于建筑、车辆、船舶等领域。

这些涂层能够降低表面能量，减少污染物和水的滞留，起到保护和耐久的作用。

5.2. 纺织品领域纺织品疏水剂广泛应用于户外服装、雨伞等制品中，可以使其具备良好的防水效果，提高使用体验。

5.3. 医疗器械领域疏水剂在医疗器械上的应用可以减少细菌和病毒的滋生，提高器械的使用安全性和效果。

6. 疏水剂的未来展望疏水剂作为一种新兴的材料，具有广阔的应用前景。

随着科学技术的不断进步，疏水剂的性能和稳定性将得到进一步优化，其应用范围也将进一步拓展。

预计未来疏水剂将在电子、医药、航空等领域得到更广泛的应用。

7. 结论通过对疏水剂的研究，我们了解到疏水剂具有降低表面张力、提高表面疏水性、耐高温和耐腐蚀性等性质。

湍流状态下超疏水表面流场减阻特性数值仿真研究宋东;胡海豹;宋保维【摘要】The turbulent flow in a channel with superhydrophobic surface was studied by numerical-simulation, and the drag of the surface was analyzed. We applied structural grid to grid the field,and VOF model and Realizable k-e turbulent model to make the simulation. It shows that: the wall slip and low turbulent en-erage near the wall are the importment factors 'that make the drag of hydrophobic surface reduced; the volume of the air in the cavity influences the drag of superhydrophobic surface obviously, however, the drag reduction still exit even if the cavity were full of water.%通过对湍流状态下具有特定微观尺寸的超疏水表面流场进行数值仿真计算,对超疏水表面流场的减阻特性进行了分析.针对超疏水表面矩形微观形貌特点,计算域采用结构化网格进行划分,采用VOF多相流模型,Realizable湍流模型,对超疏水表面流场进行仿真.结果表明:受微观形貌的影响,超疏水表面在宏观上的壁面滑移、微观凹坑处的低剪应力和近壁面的低湍流度是其具有减阻特性的重要原因；超疏水表面减阻特性受凹坑内空气体积比影响很大,但是在凹坑内全充满液体条件下,依然具有减阻效果.【期刊名称】《空气动力学学报》【年(卷),期】2012(030)002【总页数】5页(P233-237)【关键词】湍流;超疏水表面;减阻;滑移;空气体积比【作者】宋东;胡海豹;宋保维【作者单位】西北工业大学航海学院,陕西西安 710072;西北工业大学航海学院,陕西西安 710072;西北工业大学航海学院,陕西西安 710072【正文语种】中文【中图分类】V211.30 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。

随行波微结构表面圆柱涡激振动的抑振研究王伟;宋保维;毛昭勇;田文龙【摘要】涡激振动易诱发非流线型物体发生结构失稳或疲劳损坏,为抑制涡激振动而提出一种随行波微结构表面的方案.通过非定常流体数值计算方法求解分析雷诺数为10000时普通表面圆柱和随行波微结构表面圆柱的振动特性.定义随行波微结构表面参数;采用Newmark-β法求解单自由度圆柱振动方程并编写CFD数值计算的UDF,计算采用k-ω/SST湍流模型和SIMPLEC算法,并结合动网格技术模拟圆柱的振动过程.研究结果表明:相比于普通表面的圆柱,随行波微结构表面圆柱具有较为显著的抑振效果,振动幅度减小约为92.97％.本文研究结果可为柱体或管状结构涡激振动的抑振提供参考.【期刊名称】《哈尔滨工程大学学报》【年(卷),期】2018(039)011【总页数】6页(P1746-1751)【关键词】涡激振动;圆柱;数值计算;单自由度;随行波表面;抑振【作者】王伟;宋保维;毛昭勇;田文龙【作者单位】西北工业大学航海学院,陕西西安710072;西北工业大学航海学院,陕西西安710072;西北工业大学航海学院,陕西西安710072;西北工业大学航海学院,陕西西安710072【正文语种】中文【中图分类】P751柔性或弹性支撑的非流线型物体在恒定流场的作用下，物体两侧会交替产生脱落的漩涡，导致物体产生横向或纵向的周期性脉动压力，从而诱发物体周期性振动，物体振动又会改变漩涡脱落的形态，这种结构和流体相互作用的现象称为涡激振动[1]。

在海洋油气资源开发和运输以及跨海建筑物建设的过程中，需大量使用圆柱体管状结构，而在海流等流体的作用下，圆柱体结构易因涡激振动而导致结构失稳或疲劳损坏。

因此，圆柱体结构涡激振动的抑振研究得到了海洋工程学界以及石油公司等机构的高度重视[2]。

目前，较常见的抑振措施是在圆柱体表面附加抑振装置。

在实验研究方面，ALLEN等[3]在圆柱管的局部包裹多孔的管套，从而达到抑振的目的。