【摘要】：在長(zhǎng)期的進(jìn)化過(guò)程中,由于獨(dú)特的結(jié)構(gòu)形貌和組成成分,某些生物體表面形成了特殊的超疏水特性,使得這些生物體更易于應(yīng)對(duì)周?chē)厥獾纳瞽h(huán)境。而在葉片式流體機(jī)械領(lǐng)域,流體介質(zhì)通過(guò)葉輪葉片進(jìn)行能量的傳遞和轉(zhuǎn)換,不可避免地會(huì)在葉片表面產(chǎn)生大量的摩擦損失,且轉(zhuǎn)速越大能量損失越大。如果能將超疏水表面的減阻特性成功應(yīng)用到葉片上,理論上可以極大地降低葉片湍流邊界層上的能量損失,從而顯著提高設(shè)備的工作效率。基于這樣的靈感,本文選擇了簡(jiǎn)單的平面樣件代替形態(tài)復(fù)雜的葉片開(kāi)展超疏水表面的制備和減阻特性的理論分析。本文選擇了三種關(guān)注度較少的植物樣本為研究對(duì)象,從植物樣本的測(cè)試、仿生樣件的制備、液滴撞擊數(shù)值模擬以及滑移減阻四個(gè)方面開(kāi)展研究,分析表面微結(jié)構(gòu)在超疏水減阻效應(yīng)中起到的關(guān)鍵性作用,并探索其工程應(yīng)用。具體的研究工作及結(jié)論如下:(1)選取了狗尾草、三葉草和美人蕉三種植物作為研究對(duì)象,分別測(cè)試了葉片表面的潤(rùn)濕性及表面微觀結(jié)構(gòu),并建立了對(duì)應(yīng)的理想化的表面微結(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)模型。結(jié)果顯示,狗尾草葉表面的接觸角為150.2°±0.5°,滾動(dòng)角為7°±1°。狗尾草葉表面分布的相互平行的亞毫米槽棱結(jié)構(gòu)使得液滴的運(yùn)動(dòng)呈現(xiàn)出各向異性。三葉草葉表面隨機(jī)分布著倒放的三棱柱狀結(jié)構(gòu),其表面接觸角為151.1°±0.9°,滾動(dòng)角為8°±1°。美人蕉葉表面均勻分布著四邊形凹狀結(jié)構(gòu),其表面接觸角為154.2°±1.9°,滾動(dòng)角為7°±1°。特殊的微結(jié)構(gòu)使得三種植物葉片表面可以有效駐存空氣,從而減少了液滴與葉片表面的接觸面積,使液滴能輕易在葉片表面滾動(dòng)。根據(jù)建立的潤(rùn)濕性理想模型可知,超疏水表面微結(jié)構(gòu)的幾何形狀和幾何尺寸能夠影響液滴在固體表面的潤(rùn)濕性行為。在制備超疏水材料時(shí),可以通過(guò)調(diào)控粗糙表面的微結(jié)構(gòu)形狀和尺寸來(lái)改善固體壁面的潤(rùn)濕性。(2)狗尾草葉片表面的微結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單且易于復(fù)制,利用電火花精密加工技術(shù)在鋁合金基體上可以加工出理想的仿生條紋結(jié)構(gòu)。然后利用化學(xué)修飾的方法,降低仿生樣件的表面自由能,可以制備出具有理想效果的超疏水表面。經(jīng)測(cè)試,制備的仿生樣件表面均勻密布著微米級(jí)的條紋結(jié)構(gòu),其表面的接觸角為151.2°±1.4°,滾動(dòng)角為9°±1°。通過(guò)對(duì)比水平和傾斜情況下液滴在仿生樣件和普通光滑樣件表面的運(yùn)動(dòng)軌跡,進(jìn)一步證明了經(jīng)過(guò)機(jī)械加工和化學(xué)修飾后的仿生樣件具有優(yōu)異的超疏水特性。(3)利用CFD方法對(duì)液滴撞擊固體壁面過(guò)程中的形態(tài)變化及內(nèi)部速度、壓力分布進(jìn)行了兩相流動(dòng)數(shù)值模擬,分析了液滴撞擊速度、表面潤(rùn)濕性以及表面張力對(duì)液滴動(dòng)力學(xué)特性的影響。結(jié)果表明,液滴撞擊壁面的過(guò)程分為下落、鋪展、收縮和反彈四個(gè)階段。在鋪展和收縮階段,液滴需要克服固體壁面的粘附力做功,且液滴內(nèi)部速度和壓力均沿中心軸呈對(duì)稱(chēng)分布。壁面接觸角和表面張力對(duì)液滴的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有顯著影響。隨著壁面接觸角和表面張力的增大,液滴在壁面上的鋪展幅度越小,達(dá)到最大鋪展?fàn)顟B(tài)所需的時(shí)間也越少。增大撞擊速度,液滴與固體壁面接觸時(shí)會(huì)發(fā)生破碎現(xiàn)象。液滴的破碎過(guò)程分為兩個(gè)階段。第一階段發(fā)生在液滴邊緣,主要由表面張力不足造成的;第二階段發(fā)生在液滴內(nèi)部,主要原因是內(nèi)部受力不均。(4)利用數(shù)值模擬的方法,分析了條紋結(jié)構(gòu)對(duì)液滴撞擊超疏水表面的運(yùn)動(dòng)形態(tài)及微通道模擬葉片結(jié)構(gòu)的內(nèi)流體流動(dòng)減阻的影響效果。結(jié)果顯示,液滴撞擊條紋微結(jié)構(gòu)表面后的運(yùn)動(dòng)形態(tài)有三個(gè)主要特點(diǎn):液滴易于沿平行于條紋的方向鋪展;沿條紋方向的液滴邊緣有兩個(gè)明顯的凸?fàn)顖A球;液滴的回縮呈現(xiàn)出狹長(zhǎng)的十字狀形態(tài)。流體流經(jīng)粗糙超疏水表面時(shí)會(huì)形成拋物線狀的氣-液交界面,且在交界面上會(huì)形成滑移速度降低摩擦阻力。本文針對(duì)葉片表面減阻、增效的問(wèn)題,選擇了狗尾草葉表面的槽棱微結(jié)構(gòu)作為仿生原型,對(duì)超疏水表面的制備及其表面流體的運(yùn)動(dòng)形態(tài)進(jìn)行了分析。在此過(guò)程中,建立的潤(rùn)濕性數(shù)學(xué)模型和基于CFD的超疏水表面分析方法能夠?yàn)槿~片表面仿生減阻的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論參考,簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)流程,縮短研發(fā)周期。同時(shí),利用機(jī)械加工的方式構(gòu)筑仿生微納結(jié)構(gòu),可以在一定程度上提高超疏水表面的穩(wěn)定性,且可以避免化學(xué)方法帶來(lái)的環(huán)境污染,是一種綠色加工方法。本文的研究可以為流體機(jī)械利用仿生表面進(jìn)行減阻設(shè)計(jì)提供借鑒,為超疏水表面的工程應(yīng)用奠定了一定的基礎(chǔ)。
【圖文】：

圖 1.1 固體表面潤(rùn)濕性的劃分標(biāo)準(zhǔn)滾動(dòng)角(SlidingAngle,SA)也是衡量固體表面潤(rùn)濕性的重要指標(biāo)，定義為液滴在傾斜表面上發(fā)生滾動(dòng)時(shí)的傾斜表面與水平面形成的臨界角 [4]。嚴(yán)格意義上，將接觸角大于 150°，滾動(dòng)角小于 10°的固體表面稱(chēng)為超疏水表面[5]。前進(jìn)接觸角(Advancing Contact Angle)定義為氣-固界面擴(kuò)展為固-液界面后形成的接觸角,以a 表示；而后退接觸角(Receding Contact Angle)則為固-液界面縮小為氣-固界面時(shí)形成的接觸角，以r 表示。在實(shí)際情況中，由于固體表面的粗糙不平和化學(xué)組成不均一使得固體表面的接觸角在這兩個(gè)角度之間變化，這種現(xiàn)象被稱(chēng)為接觸角滯后[6]，，如圖 1.2 所示。

圖 1.1 固體表面潤(rùn)濕性的劃分標(biāo)準(zhǔn)Angle,SA)也是衡量固體表面潤(rùn)濕性的重動(dòng)時(shí)的傾斜表面與水平面形成的臨界滾動(dòng)角小于 10°的固體表面稱(chēng)為超疏水vancing Contact Angle)定義為氣-固界表示；而后退接觸角(Receding Contact形成的接觸角，以r 表示。在實(shí)際情況不均一使得固體表面的接觸角在這兩后[6]，如圖 1.2 所示。
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：TB306

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2630352