超疏水减阻的研究进展

超疏水减阻的研究进展

罗孟凡

江西师范大学附属中学江西南昌330046

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。为了便于比较，国内外工作者通常采用5?L左右的液滴。本研究中亦采用5?L的液滴来比较样品板的润湿性。

液滴越小，液滴自重的影响越小，但小于难以获得5?L的液滴。为了更加准确的测量样品板的润湿性，研究人员尝试了各种办法取得更小的液滴。清华大学张希教授及其同事找到了一种方法，即将5?L的液滴滴在样品板上，令其挥发40分钟，得到0.3?L的液滴。但是，液滴与样品板长时间接触，会使样品板的润湿性发生变化。我们尝试了一种方法，可以很快得到较小的液滴，即用微量进样器快速的喷出液体，在最后阶段，会喷出雾状的液滴，液滴滴在样品板上，会得到较小的液滴。但是这种方法得到的液滴大小不好控制。

2.2接触角滞后

当液体在“干”固体表面上前进或当它在“湿”固体表面上退去时，测量接触角的值。前者的测量值称为前进角，以?a表示。在加液过程中固体表面的三相接触线向外移动之前，前进角由液滴的临界角决定；后者为后退角，以?r表示。后退角通过液体还原方法测量，并且由液滴在固体表面的三相接触线上向内收缩的临界接触角确定。如图2所示。

图2前进角、后退角示意图

前进角与后退角不相等的现象称为接触角滞后，并且通常，前进角大于后退角。前进角减去后退角称为接触角滞后。接触角滞后反映了液滴在固体表面上的附着力。接触角大，附着力强；接触角滞后小，粘附力弱。液滴在固体表面上的接触角大，并且接触角滞后小，并且随着液滴滚动，可以清除固体表面上的污垢。这就是所谓的自清洁表面。自清洁表面是超疏水涂层的重要应用，具有广阔的应用前景。

2.3滚动角

对于超疏水表面，滚动角也可用于描述其粘度。当抬高样品板的一端，液滴（通常为5?L）开始移动时，样品板与水平面的夹角为滚动角。如图1-4所示。当滚动角小于10°时，样品板称为自清洁表面。滚动角也可以表征超疏水表面的粘滞性，但是，需要说明的是，滚动角不等于接触角滞后，而相关于接触角滞后。如果表面的滞后小并且水滴在倾斜表面上保持球冠形状，则滚动角?与接触角滞后之间的关系可以表示为：

图3滚动角示意图

3.超疏水在减阻方面的应用

降低水下航行器的粘性阻力主要是为了降低表面摩擦阻力。许多理论完全突破了传统的思维方式，表面越平滑，阻力越小。当前比较有实用前景的方法主要是：沟槽减阻、微泡减阻、超疏水的涂层减小阻力、仿生材料减小阻力等。

3.1沟槽减阻

早在19世纪，生物学家通过观察鲨鱼鳞化石观察到鲨鱼鳞片上极小的纵向分布的沟槽结构。在20世纪60年代后期，前苏联科学家首先指出这种纵向肋骨结构具有重要的流体动力学特性。但当时流体力学工作者无法给出这种特殊鳞片形状的流体动力学的合理解释。

为了显著提高沟槽减阻效果，人们开始尝试和优化沟槽形状的设计。Bechert等[2]利用一种测量阻力精确度±0.3%的油管对各种形状沟槽表面的减阻特性进行了研究，它包括三角形、半圆形、叶片形和三维凹槽结构。结果发现V形肋具有最佳的减阻效果，最大减阻范围为10%。他们还设计并测试了与喷射状狭缝结合的叶片形凹槽的表面，并且设想湍流边界层的压力波动驱动流体像小切口中的射流一样进入和离开，这产生推力并进一步增加减阻。此外，还研究了压力梯度对沟槽表面减阻性能的影响。通过测量速度分布，Bacher和Smith[3]使用边界层动量积分公式获得了25%的净减阻。

国内对沟槽结构减阻的研究主要集中在实验上。胡海豹等[4]在回转体模型上直接加工沟槽，水洞实验数据显示具有减阻效果的s+的范围在10到60之间，最大减阻量超过10%。在国内，李育斌等[5]在下游施加带槽的薄膜，实验表明，飞机的阻力可以减少5%～8%。

3.2柔性壁面减阻

改变边界层中的湍流结构是减小柔性壁的最主要原因。使用边界层的波动频率，波速和振幅与柔性表面的参数相等，在这种情况下脉冲功率和电阻减小，从而降低牛顿剪切应力。1957年，克莱默[6]首次提出了一种特殊的减阻方法。他使用密封橡胶将细长物体包裹在弹性覆盖物中,并用针将层固定在物体表面,用不同粘度的液体填充外壳和物体之间的空间,从而模仿“人造海豚皮”并进行理论和实验研究，发现将这样的物体放置在水中以进行拖曳运动时,与相同尺寸的光滑硬壳模型相比，电阻显著降低。尽管测试结果并不确定临界雷诺数会随着柔性表盘的增加而增加，但有迹象表明这可以通过增加墙壁的灵活性来实现。张庆利等[7]开展了用主动柔顺壁运动控制边界层转捩的实验研究,结果表明，边界层过渡过程中的扰动可以通过活动软壁的运动来控制，即使它已经发展到非线性阶段。

3.3仿生减阻

通过对仿生学的研究，设计一种具有更好减阻效果的结构一直是学者们关注的问题。海豚游得很快，除了它有一个非常流线型的身体。研究资料表明，除了具有低阻力形状外，活海水生物减阻的机理非常复杂，边界层上的流量控制也是其低阻力的一个因素，它可以减小边界层前后的压力差，提高流动稳定性，并保持层流状态。许多具有非常快的巡航速度的鱼是不光滑的，并且因为鳞片或它们的皮肤形成凹槽和凸凹槽，所以控制湍流边界层以减小阻力。另外，鱼表面分泌的粘液含有一定的高分子聚合物，可以在一定在条件下抑制边界层的中的湍流，从而降低摩擦阻力。柏林技术大学的Bannasch[8]通过测试池中活着的企鹅大小的模型进行了一项实验研究，发现基于三种中型企鹅的轴对称形状模型在测试中具有很低的层流摩擦阻力。Bechert[9]对模拟鸟类羽毛的被动流体分离控制方法进行了风洞测试。在巡游环境中，层流段活动襟翼的测试结果表明，机翼上的最大升力增加了20%，没有任何负面影响。得到平均最大可达30%的降阻率。

4.结论

本文综述了超疏水表面的基本理论，对现有的一些减阻技术进行了总结阐述，并对其减阻机理及存在的优缺点进行分析。

参考文献

[1]L.Jiang,R.Wang,B.Yang,T.J.Li,D.A.Tryk,A.Fujishima,K.Hashimoto,D.B.Zhu,Binarycooperativecomplementarynanoscaleinterfacialmaterials,PureAppl.Chem.,2000,72,73-81.

[2]BechertD.W.etal.Experimentsondrag-reducingsurfacesandtheiroptimizationwithanadjustablegeometry[J].FluidMech,1997,338:59-87.

[3]BacherEV,SmithCR.Acombinedvisualization-anemometrystudyoftheturbulentdragreducingmechanismsoftriangularmicro-groovesurfacemodifications[J].AIAA,1985,0548

[4]胡海豹,宋保维,潘光.回转体表面条纹沟槽减阻水洞实验研究.力学季刊,2006,27(2):267-272

[5]李育斌,乔志德,王志岐.运七飞机外表面沟纹膜减阻的实验研究[J].气动实验与测量控制,1995,9(3):21-26

[6]KramerMO.Boundarylayerstabilizationbydistributeddamping[J].AeronauticalSciences,1957,24:459-481.

[7]张庆利,李京伯.用主动柔顺壁运动控制边界层转捩.空气动力学学报,1999,17(3):333-338

[8]BannaschR.,Hydrodynamicsofwave-likecurvatureonbodiesofswimminganimals[R].ProceedingsoftheinternationalSymposiumonSeawaterDragReduction,New-port,RI.1998.

[9]BechertD.W.,Biologicalsurfacesandtheirtechnologicalapplication-laboratoryandflightexperimentsondragreductionandseparationcontrol[J].AIAAPaper1997,97-1960.