【摘要】：在長期的進化過程中,由于獨特的結(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)對周圍特殊的生活環(huán)境。而在葉片式流體機械領(lǐng)域,流體介質(zhì)通過葉輪葉片進行能量的傳遞和轉(zhuǎn)換,不可避免地會在葉片表面產(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,本文選擇了簡單的平面樣件代替形態(tài)復(fù)雜的葉片開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象,從植物樣本的測試、仿生樣件的制備、液滴撞擊數(shù)值模擬以及滑移減阻四個方面開展研究,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象,分別測試了葉片表面的潤濕性及表面微觀結(jié)構(gòu),并建立了對應(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)使得液滴的運動呈現(xiàn)出各向異性。三葉草葉表面隨機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。根據(jù)建立的潤濕性理想模型可知,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濕性行為。在制備超疏水材料時,可以通過調(diào)控粗糙表面的微結(jié)構(gòu)形狀和尺寸來改善固體壁面的潤濕性。(2)狗尾草葉片表面的微結(jié)構(gòu)相對簡單且易于復(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)測試,制備的仿生樣件表面均勻密布著微米級的條紋結(jié)構(gòu),其表面的接觸角為151.2°±1.4°,滾動角為9°±1°。通過對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動軌跡,進一步證明了經(jīng)過機械加工和化學(xué)修飾后的仿生樣件具有優(yōu)異的超疏水特性。(3)利用CFD方法對液滴撞擊固體壁面過程中的形態(tài)變化及內(nèi)部速度、壓力分布進行了兩相流動數(shù)值模擬,分析了液滴撞擊速度、表面潤濕性以及表面張力對液滴動力學(xué)特性的影響。結(jié)果表明,液滴撞擊壁面的過程分為下落、鋪展、收縮和反彈四個階段。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稱分布。壁面接觸角和表面張力對液滴的運動狀態(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,達到最大鋪展狀態(tài)所需的時間也越少。增大撞擊速度,液滴與固體壁面接觸時會發(fā)生破碎現(xiàn)象。液滴的破碎過程分為兩個階段。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)對液滴撞擊超疏水表面的運動形態(tài)及微通道模擬葉片結(jié)構(gòu)的內(nèi)流體流動減阻的影響效果。結(jié)果顯示,液滴撞擊條紋微結(jié)構(gòu)表面后的運動形態(tài)有三個主要特點: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明顯的凸狀圓球;液滴的回縮呈現(xiàn)出狹長的十字狀形態(tài)。流體流經(jīng)粗糙超疏水表面時會形成拋物線狀的氣-液交界面,且在交界面上會形成滑移速度降低摩擦阻力。本文針對葉片表面減阻、增效的問題,選擇了狗尾草葉表面的槽棱微結(jié)構(gòu)作為仿生原型,對超疏水表面的制備及其表面流體的運動形態(tài)進行了分析。在此過程中,建立的潤濕性數(shù)學(xué)模型和基于CFD的超疏水表面分析方法能夠為葉片表面仿生減阻的優(yōu)化設(shè)計提供理論參考,簡化設(shè)計流程,縮短研發(fā)周期。同時,利用機械加工的方式構(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械利用仿生表面進行減阻設(shè)計提供借鑒,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 固體表面潤濕性的劃分標準滾動角(SlidingAngle,SA)也是衡量固體表面潤濕性的重要指標，定義為液滴在傾斜表面上發(fā)生滾動時的傾斜表面與水平面形成的臨界角 [4]。嚴格意義上，將接觸角大于 150°，滾動角小于 10°的固體表面稱為超疏水表面[5]。前進接觸角(Advancing Contact Angle)定義為氣-固界面擴展為固-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-固界面時形成的接觸角，以r 表示。在實際情況中，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角度之間變化，這種現(xiàn)象被稱為接觸角滯后[6]，，如圖 1.2 所示。

圖 1.1 固體表面潤濕性的劃分標準Angle,SA)也是衡量固體表面潤濕性的重動時的傾斜表面與水平面形成的臨界滾動角小于 10°的固體表面稱為超疏水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)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TB306

【參考文獻】

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本文編號：2630352