非对称微沟槽表面液滴各向异性润湿行为研究

液滴在各向异性表面的润湿行为对于液滴操作和运动控制具有重要的科研与工程价值.采用重力式测试系统对非对称沟槽表面上液滴各向异性润湿行为进行表征,分析了沟槽几何结构非对称性、沟槽高度和宽度以及浸油处理对液滴静润湿与动润湿行为的影响规律.结果表明,沟槽几何结构不对称性会影响液滴润湿状态,液滴在非对称沟槽表面不同方向上接触角差异比对称沟槽更大,使得各向异性更显著;浸油处理会减小沟槽表面液滴接触角,从而表现出更明显的各向异性;非对称沟槽表面的接触角随沟槽高度增大而减小,随宽度增大而增大,表面浸油处理会缩小试件间接触角的差异,高度和宽度对浸油处理后的非对称表面的调控作用基本失效;当沟槽宽度增加时,浸油处理后的非对称沟槽表面滑动角减小,同时液滴沿非对称沟槽大顶角向小顶角方向运动时的滑动角大于沿反方向运动时的滑动角,且液滴体积越大,滑动角越小.最后,对上述规律进行了接触线理论分析,并从表面能模型角度推导出滑动角理论公式,与实验结果基本吻合.

均匀旋转对圆柱水动力及流动结构的影响

基于格子Boltzmann方法 (LBM)对均匀旋转控制下的低雷诺数(Re=100)圆柱绕流问题进行了数值模拟,得到了转速比从0~10变化下,旋转控制对圆柱水动力及流动结构的影响规律.使用动态模态分解(DMD)对流场特征进行提取,并分析了施加旋转控制之后转速比对流场不同模态和增长率的影响.结果表明,随着转速比增大,圆柱下游流动结构依次呈现出卡门涡街、剪切层、反向剪切层、单侧涡和附着涡5种结构;阻力系数时均值先减小,随后在转速进入单侧涡区间后增大,升力系数与力矩系数的时均值均单调增加,同时,在出现涡脱落的两个转速区间内,水动力出现了明显的波动,且二次失稳时波动幅度更大. DMD的结果表明,圆柱下游的流动结构主要受圆柱壁面的旋转影响而发生改变并产生全新流动模态;旋转会对流动稳定性产生影响:在未充分发展阶段,旋转对流动稳定性的影响不显著,而在充分发展后,各转速下的流场不稳定模态数均远少于未充分发展阶段,随着转速比的增大,流动稳定性会产生不同程度的增强或减弱,且无涡脱落时的稳定性高于有涡脱落时,因此,通过旋转控制抑制尾涡脱落可以有效增强流动的稳定性.

亲水-超疏水相间表面通气减阻实验研究

超疏水表面有利于在壁面形成气膜层,是一种潜在的兼具防污功能的新式仿生减阻技术,但在高速来流的剪切作用下该气膜易流失破坏.通过构造亲水-超疏水相间表面来增强超疏水表面气膜层的稳定性,从而期望达到更优的减阻效果.采用重力式水循环管道测试系统,测试了在湍流状态下,超疏水条带宽度与雷诺数对减阻效果的影响,并分析了对应的气膜铺展状态及其对减阻特性的影响.结果表明,亲水-超疏水相间表面持续通气能解决表面气膜层的流失问题,实现气膜层的长时间稳定维持;表面减阻率随水流速度(雷诺数)的增大呈现降低趋势,且表面气膜稳定性逐渐降低;表面减阻率随超疏水条带宽度增加呈现出先增后减的趋势,并在超疏水条带宽度为5.0 mm时达到最大,最大减阻率为40.2%.分析原因在于,超疏水条带较窄时,高剪切应力的液固界面占比较高,带来了较高的阻力;而条带较宽时,表面气膜层稳定性不佳.因而在某一流动状态下,存在最为合适的超疏水条带宽度,使得减阻效果最佳.

超声空化在船舶与海洋工程中的应用

Biofouling on ships and offshore structures has always been a difficult problem to solve,which not only jeopardizes the structural strength but also brings great economic losses.Ultrasonic cavitation is expected to solve this problem due to its characteristics of no damage to structures and no pollution.Starting from the phenomenon and mechanism of ultrasonic cleaning,this paper introduces the application of ultrasonic cavitation in ship,pipeline and oil cleaning as well as ballast water treatment.By reviewing the existing studies,limitations such as insufficient ultrasonic parameter studies,lack of uniform cleanliness standards,and insufficient cavitation studies are summarized to provide traceable research ideas for improving ultrasonic cavitation technology and to guide the expansion and improvement of its applications.

二氧化硅基润湿梯度表面制备及其静润湿特性分析

[目的]润湿梯度表面在水面舰船防污、潜艇减阻等领域具有潜在应用价值,有待进一步研究低成本、低复杂度的制备技术。[方法]采用气相沉积法、碱腐蚀法和两者复合法,开展二氧化硅基润湿梯度表面的制备及其静润湿特性的研究分析。[结果]气相沉积法制备表面的最大接触角和变化范围分别为104.9°,23°左右;碱腐蚀法制备表面分别为80.2°,60°左右;两者复合法制备表面分别为102.1°,40°左右,且气相沉积过程在表面润湿性梯度制备中起主导作用。[结论]研究成果可为海洋装备的功能表面制备提供参考。

筒口气团作用下航行体垂直出筒数值研究

潜射航行体出筒过程是水下发射的基础与前提,具有受力剧烈、时间短和非线性等特点。基于CFD方法,利用VOF多相流模型追踪气液界面,结合高分辨率交界面捕捉(HRIC)与重叠网格(零间隙)技术,建立了完整描述航行体水下垂直出筒的数学模型,系统研究了筒口气团与发射参数对流场与航行体载荷特性的影响规律。结果表明:随着筒口气团初始压强的增加,航行体受力变化周期增长,筒口气团演化过程减慢;发射深度的增加有助于缩短出筒过程中筒口气团脉动周期,肩部压强增加,有利于抑制航行体自然空化;横向来流会显著增加航行体横向受力与偏转力矩;横向流作用下,筒口气团脉动过程对航行体偏转力矩与横向受力影响较大。

合成射流对层流状态下圆柱辐射噪声的影响

主动流动控制是降低流动噪声的新型途径,近年来吸引了研究者的广泛关注.利用二维格林函数,推导得到了忽略四极子影响的声比拟方程的二维时域解.在此基础之上,基于格子Boltzmann方法为核心的流场求解器以及声比拟方程为核心的声场求解器,在低雷诺数(Re=100)下,开展了合成射流频率和相位差对圆柱绕流近壁流场和声辐射远场影响的数值模拟研究.结果表明,在利用合成射流减小圆柱阻力时,出现了两种频率锁定状态,且远场辐射噪声会发生明显变化.提高射流频率或减小相位差会增强射流的自噪声,导致远场辐射声压进一步增大,并使得指向性由偶极子类型转变为单极子类型.在各个控制参数组合下,远场的总辐射噪声增加,与未施加控制时相比声功率增加了4到18 dB,同时,阻力方向的噪声始终增强.本研究可为探索低辐射噪声的合成射流控制策略提供参考数据.

高分子-自抛光漆复合涂层减阻特性实验研究

基于减阻涂层易工程应用的优势和高聚物优异的湍流减阻性能,研发复合高聚物减阻涂层,在船舶及水下航行器领域应用前景将非常广阔,而目前这方面的研究仍相对缺乏.为此,本文基于PAM和PEO减阻剂制备国产自抛光漆复合涂层,通过水下平板阻力测试实验系统研究了涂层种类、主流流速、PAM/PEO浓度对减阻的影响规律,并对复合涂层表面粗糙度进行分析.结果表明:高分子-自抛光漆复合涂层具有减阻效果,采用单面减阻涂层最大实现9.4%的减阻;流速在0.5~1.8 m/s变化时不会显著改变减阻率,减阻率变化不超过3.5%;随着涂层中高聚物浓度的增大,自抛光漆-PAM涂层减阻率先增大后减小,自抛光漆-PEO涂层减阻率先保持平稳后迅速下降;当涂层中高聚物浓度超过某一临界值时都出现了减阻率下降甚至增阻现象,其原因为涂层表面粗糙度增大及溶液黏度变化.本工作可为高聚物减阻涂层的工程化应用提供参考.

鲨鱼沟槽表皮减阻机理的仿真研究

通过对鲨鱼沟槽表面特殊流场的数值仿真研究,探讨了沟槽表面存在减阻效果的内在机理。针对沟槽表面流场的特点,在数值计算过程中对其计算域、计算网格及其流动参数进行了合理化的处理,并尝试将力学相似原理运用于沟槽表面流场的数值仿真。仿真结果表明,沟槽表面与顺流的"反向旋转涡对"相互作用,产生"二次涡",削弱了"反向旋转涡对"的强度,进而抑制了低速条带的形成和发展,从而降低湍流猝发强度,实现湍流减阻。

生物多糖溶液喷射减阻实验研究

为获得生物多糖溶液的水下减阻性能,在重力式循环水槽实验系统中,测试了瓜尔胶、黄原胶、黄蓍胶及刺槐豆胶等4种生物多糖溶液的喷射减阻特性,给出了喷射溶液速率、主流雷诺数及喷射溶液质量分数对多糖溶液减阻的影响规律。研究结果表明:4种生物多糖溶液均具有显著的喷射减阻效果,其中刺槐豆胶溶液减阻率最高(14.3%);同一主流雷诺数下,随着喷射溶液速率的提高,各多糖溶液的减阻率显著提高,减阻率达到峰值后则呈现出不同的变化趋势;多糖溶液在主流雷诺数较小(<2.0×10^(4))时减阻效果更优,提高主流雷诺数后,多糖溶液表现出差异化的减阻规律;喷射溶液质量分数过高会降低多糖溶液减阻效果,提高主流雷诺数会使多糖溶液减阻效果随质量分数的提高出现“峰值后移”现象。通过引入“喷射溶液相对质量分数”将喷射溶液速率、主流雷诺数及喷射溶液质量分数对减阻效果的影响相互耦合,随着相对质量分数的增大,4种多糖溶液的减阻率均表现出先升后降的变化规律。最后,基于相对质量分数初步阐明了多糖溶液的减阻规律。

PIV水下流场测试系统试验研究

基于粒子图像测速技术,设计研制了一套适用于水洞洞体内高速、封闭试验条件的流场测量与显示设备.该系统由光源、成像、图像处理与分析、控制和粒子投放等分系统组成,具有复杂环境下全流场的无接触、无扰动、高准确度测量和显示能力,流场测试误差小于2%,可为水下航行器外形设计及其改进提供相关的实测数据.

回转体表面条纹沟槽减阻水洞实验研究

本文在条纹沟槽表面减阻理论分析的基础上,对条纹沟槽表面回转体进行了大量的水洞实验研究。实验模型表面条纹沟槽采用直接加工方法,头部线型为双参数平方根圆头曲线,尾部线型为双参数尖尾曲线。实验结果分析表明,与相同形状、尺寸的光滑表面回转体相比,条纹沟槽表面回转体在一定速度范围内存在很好的减阻效果,最大减阻量超过6%,且在小攻角范围内减阻量基本稳定,对回转体升力特性也没有影响。对比不同尺寸条纹沟槽的减阻效果发现,降阻量不但随条纹沟槽宽度S变化,而且随来流速度U∞变化,即与无因次沟槽宽度S+(文中近似取S+=S.LRe2Ckx,其中k为总阻力Cx的修正因子)存在着一定的关系。对于V型条纹沟槽具有减阻效果的S+的范围在10到60之间。本文研究证明,条纹沟槽表面减阻技术在水下航行器设计领域有着很好的应用前景,同时文中所取得的研究成果对该技术的应用具有一定的促进作用。

脊状表面减阻机理研究

针对脊状表面流场的特点,通过实验测量和数值模拟的方法对脊状表面微观流场进行了深入研究,获得了脊状表面湍流边界层的时均速度分布曲线、湍流度分布曲线和微观流场结构.为了得到脊状结构对壁面物性的影响,对脊状表面进行了疏水性测试,获得了液滴在脊状表面上的表观接触角,并通过水洞试验验证了脊状表面的减阻效果.研究表明,与光滑表面相比,脊状表面微观流场结构中存在"二次涡",近壁区的黏性底层厚度比平板的要厚得多,湍流度显著降低,且脊状表面表现出明显的疏水性.由此提出了基于壁面隔离效应、增大湍流阻尼效应和改变壁面物性效应的减阻机理.

不同润湿性纳米通道内库埃特流动的模拟

利用非平衡分子动力学模拟方法,模拟了两无限大平行平板组成的纳米通道内的库埃特流动,并给出了壁面润湿性和速度对流场密度、速度分布及壁面滑移的影响规律.数值模拟中,统计系综采用微正则系综,势能函数选用LJ/126模型,壁面设为刚性原子壁面,温度校正使用速度定标法,牛顿运动方程的求解则采用文莱特算法.结果表明,纳米通道内流体密度呈对称的衰减振荡分布,且随壁面润湿性的降低,振荡幅度减小,振荡周期保持不变;滑移量随壁面润湿性的提高而降低,甚至在亲水壁面时出现负滑移现象;随壁面速度的增加滑移速度逐渐增大,且在流体呈现非线性流动阶段其增幅显著加大.另外,还发现当壁面设置为超疏水性时,壁面滑移呈现出随润湿性降低而减小的反常现象,并基于杨氏方程对其进行了解释.

二级规则微结构对低表面能纳米通道内微流动的影响

以低表面能纳米通道内液态Poiseuille流为对象,采用分子动力学模拟方法研究通道壁面上布置二级规则微结构后对微流动特性的影响规律。数值模拟中,统计系综为微正则系综,势能函数采用LJ/126模型,壁面定义为Rigid-atom壁面,温度校正使用速度定标法,而壁面低表面能属性则通过调整壁面铂原子与液态氩原子间的势能参数来实现。结果表明,布置二级矩形和三角形微结构后壁面附近流体密度法向分布会出现两个振荡阶段,即在微结构内部出现振幅相对较小的次级振荡过程,但通道中心区流动与光滑壁面通道相似;随微结构周期T的增大,二级微结构内密度法向振幅逐渐增大,而近壁面区域振幅则减弱;而二级微结构深度H的增大,则导致其内的次级振荡幅值减小,且分布起点随之下移。另外,随微结构周期T、深度H的增大,通道内流体平均流量均逐渐增大,即呈现更好的减阻效果。

小型专用风洞试验段流场特性试验研究

通过对一小型专用风洞试验段流场特性的研究,探索了采用小型风洞开展具有特殊流场要求的流场测试试验的可行性。针对脊状表面减阻技术流场测试必须满足低风速和充分发展湍流流动的特殊条件,提出了低风速下增加风洞发展段长度来保证试验段湍流流动状态的措施。利用热线风速仪对风洞试验段流场的测试结果表明,风洞改进前后,可实现湍流流动状态的最小风速从6m/s降至4 m/s,壁面边界层厚度从不足20 mm提高到50 mm左右,近壁区(包括粘性底层和过渡层)厚度也从约2 mm增至约5 mm。因此,该小型专用风洞完全具备开展脊状表面减阻技术流场测试试验的能力。

基于润湿阶跃的水下大尺度气膜封存方法

超疏水表面水下减阻效果通常与其微结构上封存气膜的厚度和面积正相关,且气膜尺寸越大封存越困难.构造亲疏水相间表面,能在壁面形成润湿阶跃,产生约束固-气-液三相接触线移动的束缚力.通过监测切向水流作用下,润湿阶跃为54.8?,84.7?,103.6?和144.0?的亲疏水相间表面上不同面积和厚度气膜的形态发现,厘米尺度气膜可被长时间稳定封存,且气膜破坏的临界流速随润湿阶跃和气膜厚度的增加而升高,随气膜迎流宽度增加而降低.同时,该方法封存的气膜上能产生显著滑移量,尺寸0.6 cm×0.5 cm×0.15 cm的气膜上即可产生约占主流速度25%的稳定滑移速度.期待该气膜封存方法能进一步提升超疏水表面水下减阻技术性能.

疏水微形貌表面水下减阻研究进展

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。

脊状表面的准LIGA成形技术及其减阻试验研究

为了研究脊状表面的减阻特性,利用准LIGA成形技术在铝合金表面加工了两种不同尺寸的矩形脊状结构。在准LIGA成形技术中,以波长为300～400μm紫外光作为曝光光源,再通过显影、表面活化、微电铸及去胶工艺得到脊状表面。在低速风洞中对制备的脊状表面进行流场测试,获得了其湍流边界层内流动参数的分布情况。试验结果表明,脊状表面改变了边界层内的流场结构,抑制了湍流脉动,降低了湍流度,达到了减阻效果。同时,利用准LIGA成形技术制备脊状表面的方法是可行的。

脊状表面流场数值计算方法研究

根据现有湍流数值模拟方法的特点和脊状表面减阻理论研究的实际需要,研究了基于雷诺平均N-S方程的脊状表面流场数值计算方法,并基于纵向及横向脊状表面的形状特点,提出了不同脊状表面计算域选取及网格剖分的方法。一系列典型横向及纵向脊状表面流场数值计算结果表明,所采用的这套脊状表面数值计算方法不仅能够精确获得脊状表面的减阻特性,还可以获得脊状结构内部及附近流速、压强、涡量等细微流场结构的分布规律。