787 / 2022-07-02 19:10:06

管道内层流仿生表面减阻实验研究

       高效的固-液界面减阻方法在船舰航行、管道输运、微流体器械等诸多领域具有重要的应用价值，对节能减耗、减少CO₂排放相当重要。仿生表面是实现固-液界面减阻的有效方法。针对管道内层流减阻问题，实验研究了仿生织构化表面的减阻行为。仿生箬竹叶、水稻叶等植物叶片，设计了微圆柱体凸起和微圆柱凹坑两种仿生织构化的表面，并利用等离子深硅刻蚀方法在硅表面加工了仿生表面织构，搭建了含仿生织构的管道压力降测试实验台，测试了不同速度的水、液体石蜡油在管内层流流动的压力降。研究结果表明，微圆柱体凸起仿生表面织构中，水的最大减阻率达到27.27%，液体石蜡油的减阻率为5.12%；微圆柱凹坑仿生表面织构中，水的最大减阻率达到22.42%，液体石蜡油的减阻率为3.96%。测量了水滴和液体石蜡油在仿生织构化表面的接触角，水和液体石蜡油在平坦硅表面、微圆柱凹坑仿生表面、微圆柱体凸起仿生表面的静态接触角分别为66.5°、104.7°、122.4°和30.5°, 25.5°, 18.0°，仿生织构化表面具有一定的超疏水性和超亲油性。疏水导致部分固-液界面转化为气-液界面，这是实现管内水流层流减阻的主要机制；而亲油导致织构化表面能稳定吸附一层油膜，起到类似润滑剂润滑作用，这是实现管内油流层流减阻的主要机制。