胡海豹，黃蘇和，宋保維，張招柱，羅莊竹（西北工業(yè)大學(xué) 航海學(xué)院，西安 7007；中國科學(xué)院 蘭州化學(xué)物理研究所，蘭州 70000；中國科學(xué)院 重慶綠色智能技術(shù)研究院，重慶40074）

疏水微形貌表面水下減阻研究進(jìn)展

胡海豹1，黃蘇和1，宋保維1，張招柱2，羅莊竹3
（1西北工業(yè)大學(xué) 航海學(xué)院，西安 710072；2中國科學(xué)院 蘭州化學(xué)物理研究所，蘭州 730000；3中國科學(xué)院 重慶綠色智能技術(shù)研究院，重慶400714）

疏水微形貌表面減阻是一種新型仿生減阻方法，也是國內(nèi)外減阻研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一。該文在分析天然及人造疏水微形貌表面界面一般特性的基礎(chǔ)上，從壁面滑移流動、表面微形貌等角度總結(jié)了國內(nèi)外疏水微形貌表面減阻理論研究的最新成果，然后分類給出了近年來疏水微形貌表面減阻微觀及宏觀試驗(yàn)的研究進(jìn)展，最后分析了疏水微形貌表面可能的減阻機(jī)理及目前存在的技術(shù)問題。

疏水微形貌表面；減阻；滑移流動；低表面能

0 引 言

受荷葉等植物葉面及水黽等昆蟲肢體表面具有疏水性的啟發(fā)（見圖1），近年來，越來越多的國內(nèi)外研究者開始關(guān)注疏水表面在減阻、降噪和海洋防污等方面潛在的良好應(yīng)用前景[1-2]。理論上以水滴與固體表面靜止不動時的接觸角大小來表征固體表面的浸潤性。當(dāng)接觸角小于90°時，表面為親水；大于90°時，表面為疏水；大于150°時，表面為超疏水。疏水與超疏水表面除了材料的化學(xué)組成差異外，在表面微觀結(jié)構(gòu)方面也存在差別。自2000年以來，疏水微形貌表面在水下減阻領(lǐng)域的科學(xué)和技術(shù)問題得到了廣泛關(guān)注，其相關(guān)的理論及試驗(yàn)研究結(jié)果令人鼓舞[3-4]。

圖1 自然界典型疏水現(xiàn)象Fig.1 Typical hydrophobic phenomena in nature

與隨行波、柔性壁面及水溶性高分子涂層等減阻技術(shù)相比，疏水表面減阻技術(shù)具有經(jīng)濟(jì)簡便、技術(shù)可行性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，且同時兼具降噪和防污功能，未來可廣泛應(yīng)用于海洋工程和其它高技術(shù)工業(yè)領(lǐng)域，如作為減阻、防污涂層用于船舶、水下航行器的外殼以及輸運(yùn)管道的內(nèi)壁；作為自清潔涂料用于建筑物外墻及衛(wèi)星接收器。目前國內(nèi)外多家單位正致力于該類疏水表面的構(gòu)筑和工程化實(shí)現(xiàn)技術(shù)，且在其構(gòu)筑原理及工藝等方面均已取得重要進(jìn)展。但在疏水微形貌表面水下減阻規(guī)律與減阻機(jī)理等研究方面，至今仍處于探索研究中。

1 疏水微形貌表面界面特性

對疏水微形貌表面的研究，最初源自于荷葉效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)。植物學(xué)家Barthlott[5]最早發(fā)現(xiàn)荷葉表面具有明顯的疏水自清潔效應(yīng)，并通過微觀觀察發(fā)現(xiàn)了其表面為具有微米結(jié)構(gòu)的乳突，且在每個乳突表面上還存在由蠟質(zhì)晶體形成的納米結(jié)構(gòu)，如圖2（a）所示。這種微觀結(jié)構(gòu)使得荷葉表面形成一層極薄的空氣薄膜，不僅能阻止水滴滲入荷葉表面，且可以防止微細(xì)污染物的吸附，從而呈現(xiàn)出反粘附的“荷葉效應(yīng)”[5-7]。

后續(xù)研究發(fā)現(xiàn)，不僅植物具備“荷葉效應(yīng)”，一些動物也具有這一效應(yīng)，最典型的有鱗翅目昆蟲的翅膀、異翅目昆蟲的腿部以及水鳥的羽毛等[8]。在電子顯微鏡下，水黽腿部表面具有特殊的微米剛毛和螺旋狀納米溝槽結(jié)構(gòu)，蝴蝶翅膀表面有特殊的微空穴結(jié)構(gòu)，而蟬翼表面則具有微尺度的柱狀結(jié)構(gòu)，如圖2（b）、（c）、（d）所示。該類動物體表面的這些微結(jié)構(gòu)同樣能將空氣有效地吸附在其微結(jié)構(gòu)內(nèi)形成一層穩(wěn)定的氣膜，阻礙水滴的浸潤，從而在宏觀上呈現(xiàn)出疏水特性。

近年來，人們利用先進(jìn)的表面處理技術(shù)，已研究出許多人工制備疏水表面的方法。Rao等[9]用甲基三甲氧基硅烷（MTMS）做前驅(qū)物，甲醇做溶劑，氨水為催化劑，通過超臨界干燥甲醇得到了超疏水的硅凝膠涂層，接觸角高達(dá)173°，如圖3（a）所示。Feng等[10]用模板法制備了PVA陣列納米纖維，纖維表面與水的接觸角大于170°，如圖3（b）所示。Jiang等[11]制備出具有針狀陣列結(jié)構(gòu)的丙腈（PAN）納米纖維型超疏水表面，該表面接觸角高達(dá)173°，如圖3（c）所示。于志家等[12]對經(jīng)過三氯化鐵和鹽酸刻蝕過的黃銅表面進(jìn)行氟化處理，所得表面的接觸角達(dá)到157°，接觸角滯后僅5°，如圖3（d）所示。Schlenoff等[13]利用層層自組裝技術(shù)制備出含氟聚電介質(zhì)和棒狀黏土復(fù)合的超疏水表面，如圖3（e）所示。Kako等[14]利用有機(jī)相和無機(jī)相的相分離原理，結(jié)合膠體SiO2粒子的填充作用，得到如圖3（f）所示的疏水表面。羅莊竹等[15-16]采用非離子表面活性劑作“模版”制備出水溶性PTFE乳膠體系，再將“液晶模版機(jī)理”與“傳統(tǒng)涂層固化工藝”相結(jié)合，通過一步成膜法構(gòu)筑出同時具有低表面能和微納米雙重織構(gòu)的超疏水涂層，如圖3（g）所示。

圖3 典型人造疏水微形貌表面Fig.3 Typical artificial hydrophobic surface

分析天然和人造疏水微形貌表面可以發(fā)現(xiàn)：

（1）疏水微形貌表面一般具有微米及納米尺度結(jié)構(gòu)，或者微、納米雙重結(jié)構(gòu)，如荷葉表面具有微米尺度的乳突，且在乳突表面又分布著納米尺度的晶體結(jié)構(gòu)；

（2）疏水微形貌表面材料具有較低表面能，如表面為聚甲基三甲氧基硅烷、甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯等低表面能聚合物材料。

2 疏水微形貌表面減阻理論研究進(jìn)展

2.1 基于壁面滑移的疏水表面減阻理論研究

流體力學(xué)領(lǐng)域中，關(guān)于沿用至今的壁面無滑移邊界條件假設(shè)的適用性，一直存在爭議。近年來相關(guān)報道[17]表明，疏水微形貌表面由于具有低表面能和微結(jié)構(gòu)等因素，在其表面附近會產(chǎn)生滑移流動現(xiàn)象。因而，基于壁面滑移的減阻理論研究受到了學(xué)術(shù)界的關(guān)注。2004年，Kim等[18]采用直接數(shù)值模擬方法，通過設(shè)定不同方向的壁面滑移邊界條件，模擬了湍流狀態(tài)下疏水表面的減阻作用（如圖4）。結(jié)果表明，流向滑移可降低湍流強(qiáng)度，具有減阻效果，而橫向滑移反而增大壁面阻力。該研究中人為引入滑移條件，再考察其減阻作用，但特定疏水表面的滑移特性卻未給出。為證實(shí)疏水表面滑移的存在性，2005年，Ou等[19]在測量疏水表面滑移速度的同時，又對試驗(yàn)用疏水表面微通道流場進(jìn)行了三維數(shù)值模擬，并在剪切面處得到了大于主流平均速度60%的滑移速度，從而證實(shí)了疏水表面滑移的存在性?；谏鲜鍪杷砻婊评碚撗芯窟M(jìn)展，F(xiàn)ukagata等[20]提出了一種湍流管道內(nèi)疏水表面減阻率的理論預(yù)測方法，并預(yù)測出Re達(dá)到105～106時，疏水表面仍然有較大減阻率。此后，疏水表面減阻規(guī)律研究受到越來越多人的關(guān)注。2010年，Jeffs等[21]對疏水表面層流、湍流狀態(tài)下的減阻特性進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明，表觀滑移速度隨自由剪切面積的增大而增大，且相同條件下，湍流狀態(tài)下的減阻量高于層流狀態(tài)下。2011年，Yosuke等[22]通過改進(jìn)基于無滑移壁面的FIK恒等式，模擬分析了疏水表面湍流摩擦力的不同動力學(xué)組分情況，在疏水表面得到了顯著的滑移，并證實(shí)了疏水表面在湍流狀態(tài)下具有減阻效果。

圖4 不同滑移長度時壁面邊界層流場特性Fig.4 Flow field characteristics of wall boundary layer at different slip length

2004年，國內(nèi)馬國軍等[23]提出應(yīng)力控制的邊界滑移模型，并預(yù)報出平行平板間界面的滑移，以及球和平面間在有法向擠壓運(yùn)動時的界面滑移。此后，他們又對滑移理論進(jìn)行了一系列的系統(tǒng)研究[24-26]，這也是國內(nèi)對滑移理論較早較系統(tǒng)的報道。在此基礎(chǔ)上，鄧旭輝等[27]引入滑移速度邊界條件模擬了超疏水表面減阻問題，給出了無量綱壓降比最高可達(dá)19.2%的減阻效果。2009年，陳曉玲等[28]使用FLUENT軟件，對直徑6 mm的超疏水圓管內(nèi)湍流流動進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Re大于臨界值時，超疏水圓管內(nèi)湍流流動表現(xiàn)為減阻作用，反之則為增阻作用。此外，他們還發(fā)現(xiàn)壁面附近存在明顯滑移速度，并初步闡述了疏水表面的減阻機(jī)理?；谝延斜诿婊评碚撗芯炕A(chǔ)，近兩年，作者課題組采用直接修正壁面剪應(yīng)力公式的方法（將其修正為τw=μ，數(shù)值模擬了不同滑移條件下疏水通道

的減阻作用。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，層流狀態(tài)下，疏水通道的無量綱壓降比隨滑移量的增加而增大（如圖5），當(dāng)滑移速度從0.01 m/s增加到0.05 m/s時，無量綱壓降比從1.41%增加到7.11%；而湍流狀態(tài)下，壁面滑移使得近壁區(qū)湍動能和湍流耗散率明顯低于無滑移表面，且滑移量越大，湍流脈動越小，減阻效果也更顯著（如圖6）。

圖5 層流狀態(tài)下滑移速度與減阻量關(guān)系Fig.5 Relationship between slip velocity and drag reduction in laminar flow state

圖6 湍流狀態(tài)下滑移速度與壓力梯度關(guān)系Fig.6 Relationship between slip velocity and pressure gradient in turbulent state

2.2 基于“氣穴”的疏水表面減阻理論研究

粗糙表面上液滴存在兩種接觸情況：潤濕接觸，即液滴充滿粗糙表面的凹坑，形成完全潤濕表面，也稱Wenzel接觸模型；復(fù)合接觸，即液滴未填充其表面凹坑，而僅處于粗糙凸起的頂部，也稱Cassie接觸模型（如圖7）。疏水微形貌表面具有復(fù)雜的微納米結(jié)構(gòu)，因此，其表面可能存在Wenzel和Cassie兩種模式，但Jonathan[29]認(rèn)為大部分疏水微形貌表面呈現(xiàn)Cassie接觸模式。

圖7 粗糙表面液滴接觸形式Fig.7 Contact form of rough surface

基于疏水微形貌表面的Cassie接觸模式，許多學(xué)者從其微結(jié)構(gòu)內(nèi)封存有穩(wěn)定“氣穴”的角度，開展了大量疏水表面減阻研究。1983年，Ruchenstein[30]在分析疏水表面實(shí)驗(yàn)結(jié)果時，提出親水流體流經(jīng)疏水壁面處會產(chǎn)生氣膜層，這是早期關(guān)于疏水表面存在“氣穴”的猜想。1999年，Watanabe[31-32]在分析疏水表面減阻實(shí)驗(yàn)結(jié)果時再次指出，疏水表面之所以具有減阻性質(zhì)，是因?yàn)楸诿嫔洗嬖诘陌疾劢Y(jié)構(gòu)封閉了部分空氣，減小了流體與表面間接觸面積，從而實(shí)現(xiàn)減阻作用，這也是較早利用“氣穴”假設(shè)來詳細(xì)闡述疏水微形貌表面減阻產(chǎn)生過程的研究報道。受此啟發(fā)，2000年，F(xiàn)ukuda等[33]提出利用疏水薄膜和空氣噴射技術(shù)來減小摩擦阻力的方法，然后通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)，當(dāng)供給少量空氣時，沿疏水薄膜表面的確會形成薄層的空氣流，由此產(chǎn)生的水下減阻效果顯著。但是關(guān)于水下疏水微形貌表面能否存留穩(wěn)定“氣穴”的問題，學(xué)術(shù)界仍然存在爭議[34]。隨后，Tyrell[35]和Ou[36]分別利用原子力顯微鏡和共聚焦顯微鏡，各自證實(shí)了疏水表面“氣穴”（也就是無剪切氣液界面）的存在性（如圖8）。由此，疏水表面氣液界面理論逐漸被廣大學(xué)者所認(rèn)可，基于“氣穴”的疏水表面減阻理論研究報道也逐漸增多。2007年，Jeffs等[37]采用自由滑移壁面模擬氣液交界面的方法，直接模擬了壁面有流向微溝槽的通道內(nèi)流動，結(jié)果表明，層流和湍流狀態(tài)下，疏水表面減阻率分別可達(dá)91%和90%。2009年，Michael等[38]也利用直接數(shù)值模擬方法，對超疏水表面湍流減阻特性進(jìn)行了研究。詳細(xì)給出了不同自由剪切面積比下，兩種超疏水管道的減阻量曲線（如圖9），其所得到的最大減阻量接近40%。近年來，國外學(xué)者已將研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)移至接近實(shí)際的疏水微形貌表面減阻研究。2011年，Mohamed等[39]對粗糙不規(guī)則疏水表面減阻效果，及微觀形貌上氣液界面的穩(wěn)定性進(jìn)行了仿真研究，結(jié)果表明，在氣體分?jǐn)?shù)恒定的前提下，表面粗糙的隨機(jī)性有利于減阻（當(dāng)氣體分?jǐn)?shù)達(dá)到0.98時，減阻量最大可達(dá)30%），且氣液界面的穩(wěn)定性受凹坑寬度的影響很大（如圖10）。同年，Hyv?luoma等[40]采用格子布爾茲曼方法，仿真了壁面布置納米尺度氣泡陣列的疏水微形貌表面的層流流動，給出了切向應(yīng)力與氣泡變形以及壁面滑移間的規(guī)律，并發(fā)現(xiàn)通過調(diào)整氣泡分布可得到不同滑移量。

圖8 顯微鏡下疏水表面的氣液界面Fig.8 Gas liquid interface of hydrophobic surface under microscope

圖9 不同超疏水性管道的減阻量曲線Fig.9 Drag reduction curve of different super hydrophobic pipelines

圖10 不同氣體體積分?jǐn)?shù)下對應(yīng)的滑移長度曲線Fig.10 The slip length curve corresponding to different gas volume fraction

在國內(nèi)，2008-2009年汪家道等[41-42]研究了復(fù)合接觸模式下疏水微形貌表面的減阻問題，證明當(dāng)微結(jié)構(gòu)內(nèi)部封存氣體時表面摩擦阻力能明顯減小。2012年，作者課題組[43]報道了基于氣液兩相流的超疏水表面湍流減阻特性仿真研究。結(jié)果表明，超疏水表面上微觀凹坑處的無剪切氣液界面和近壁面區(qū)域的低湍流度特性是其具有湍流減阻的重要原因（如圖11-12）。

圖11 減阻隨凹坑內(nèi)氣體體積的變化曲線Fig.11 The change curve of drag reduction with the volume of the gas in the pits

圖12 疏水表面壓差阻力隨氣體體積變化曲線Fig.12 Hydrophobic surface pressure difference curve with gas volume

3 疏水表面減阻試驗(yàn)研究進(jìn)展

3.1 基于微結(jié)構(gòu)的疏水表面減阻試驗(yàn)研究

1983年，Ruchenstein[30]首次報道了疏水表面毛細(xì)管中的滑移流動試驗(yàn)，并提出當(dāng)疏水流體流經(jīng)親水壁面或親水流體流經(jīng)疏水壁面時，均會發(fā)生“滑移”現(xiàn)象。從此，該領(lǐng)域的相關(guān)研究工作受到了越來越多人的關(guān)注。受水在疏水性表面具有更好流動性的啟發(fā)，1999年，Watanabe等[31-32]測量了內(nèi)壁涂覆具有疏水性氟烷烴的圓管和方管內(nèi)速度剖面、滑移速度和管道壓力變化等，結(jié)果表明，層流時減阻量可達(dá)14%，但在湍流狀態(tài)下這種減阻效果消失。2004～2005年，Ou等[19，36]相繼報道了矩形超疏水表面微通道內(nèi)層流減阻試驗(yàn)和μ-PIV流場測試試驗(yàn)（圖13-14）。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，層流狀態(tài)時（Re＜1 000），超疏水表面最大滑移速度達(dá)20 μm/s，約為主流平均速度50%，而超疏水管道的無量綱壓降比減小超過40%。2006年，上述研究成果又在Choi等[44]開展的類似矩形微通道試驗(yàn)中得到了很好的驗(yàn)證。2008年，Choi等[45]進(jìn)一步考察疏水表面微結(jié)構(gòu)內(nèi)封存氣體體積分?jǐn)?shù)對滑移的影響，結(jié)果表明，滑移長度隨微結(jié)構(gòu)內(nèi)封存氣體體積分?jǐn)?shù)的增大而增大，最大滑移長度185 μm。對于如此大的滑移長度，Jonathan[29]提出了質(zhì)疑，認(rèn)為該實(shí)驗(yàn)存在一定的局限性。2007年，國內(nèi)霍素斌等[46]在鋁制微通道內(nèi)壁上制備出接觸角153°的超疏水表面，并通過通道阻力試驗(yàn)得到25%的減阻量，并采用文獻(xiàn)[36]中的氣液界面模型，闡述了疏水表面的減阻機(jī)理，但并未證明疏水表面氣液界面的存在性。此后，國內(nèi)陳曉玲等[47]在開展超疏水表面浸潤試驗(yàn)時，發(fā)現(xiàn)液滴在柱狀微結(jié)構(gòu)空隙區(qū)存在非常明顯的反光（如圖15），間接證實(shí)了在超疏水微結(jié)構(gòu)內(nèi)的確存在氣體。同年，郝鵬飛等[48]在硅片上加工出矩形截面微槽道，通過μ-PIV測量試驗(yàn)得到了約為中心速度8%的表觀滑移速度和約2 μm的滑移長度，并采用壁面滑移參數(shù)表征了疏水表面的減阻特性。但該研究中，所使用的疏水微結(jié)構(gòu)表面僅為單重微米尺度結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上，2010年，盧思等[49]進(jìn)一步對表面具有微納米雙層結(jié)構(gòu)的超疏水槽道進(jìn)行了流動阻力試驗(yàn)（如圖16），結(jié)果發(fā)現(xiàn)，層流條件下最大減阻量達(dá)到36.3%，同樣也證實(shí)在壁面處流體存在明顯速度滑移。

圖13 超疏水微通道流動單元示意Fig.13 Flow unit of superhydrophobic micro channel

圖14 超疏水微通道速度輪廓圖（μ-PIV測試）Fig.14 Superhydrophobic micro channel velocity profile (μ-PIV test)

圖15 疏水表面液滴偏光顯微鏡觀測圖Fig.15 Hydrophobic surface droplet under polarizing microscope

圖16 不同寬度疏水微槽道內(nèi)減阻效果Fig.16 Effect of drag reduction in different width of hydrophobic micro channel

3.2 基于涂層工藝的疏水表面減阻試驗(yàn)研究

已有基于微加工等工藝的疏水表面制備技術(shù)能夠很好地應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室小尺度模型上的機(jī)理性研究，卻缺乏工程推廣價值。疏水涂層涂裝工藝可能是解決該問題的最佳途徑。近年來基于涂層工藝的疏水表面減阻試驗(yàn)研究受到了廣泛關(guān)注。2003年，Ashwin等[50]在水洞中對具有疏水涂層的橢圓體模型進(jìn)行了阻力測試，得到了15%的減阻量。隨后在2005年，Salil等[51]將附有一種超疏水表面的水翼在水洞中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，可以獲得最少10%的減阻量。與上述兩人報道的減阻量不同，2006年，Henoch等[52]在一個平板表面附上超疏水涂層（見圖17），并在截面為0.3 m×0.3 m的水洞中對平板進(jìn)行了阻力測試。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，層流減阻量可達(dá)50%，而在湍流狀態(tài)下減阻效果有所減弱，這也是同類試驗(yàn)中報道的最大減阻效果。

圖17 超疏水涂層平板模型Fig.17 Superhydrophobic coating plate model

圖18 拖曳賽艇模型Fig.18 The drag model of rowing ship

圖19 疏水表面減阻、防污試驗(yàn)Fig.19 Hydrophobic surface drag reduction and anti-fouling test

在國內(nèi)，1996年我單位與中科院蘭州化學(xué)物理研究所田軍等[53]合作，最早利用改性硅橡膠、聚氨酯樹脂中添加無機(jī)填料的方法制成了雙組分低表面能涂料，并在水洞試驗(yàn)中獲得了18%～30%的減阻效果。2005年，余永生等[54]利用懸線位移天平在低湍流度水洞中對光滑和粗糙的、親水和疏水的平板進(jìn)行了阻力測量，結(jié)果表明，疏水性粗糙表面具有最高超過10%的減阻效果。2006年，汪家道等[55]通過在具有微結(jié)構(gòu)的回轉(zhuǎn)體模型（直徑12 mm，長155 mm）表面噴涂聚四氟乙烯涂層實(shí)現(xiàn)了接觸角超過120°的疏水性表面，并在微小型水洞中獲得了最大約25%的減阻效果。2007年，劉秀生等[56]基于壓差測量原理測試了管道內(nèi)壁涂敷有機(jī)高分子材料(低表面能材料、環(huán)氧色漆)后的減阻性能，證實(shí)低表面能涂層減阻效果良好（最大達(dá)21.17%）。2010年，汪家道等[57]測試了賽艇上聚合物涂層的減阻性能（如圖18），測試結(jié)果表明，涂敷聚合物涂層的賽艇所受摩擦阻力有所下降；且隨航速提高，摩擦阻力下降的絕對值呈增長趨勢。自2008年以來，作者課題組與中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所繼續(xù)合作開展了一系列疏水表面減阻及防污試驗(yàn)（如圖19），并已獲得了約10%的實(shí)驗(yàn)室減阻效果。從國內(nèi)上述文獻(xiàn)報道情況來看，目前在該技術(shù)向應(yīng)用轉(zhuǎn)化研究方面，國內(nèi)與國外水平基本持平，還僅處于實(shí)驗(yàn)室較小尺度模型的驗(yàn)證階段。

4 疏水微形貌表面減阻機(jī)理分析

疏水表面作為一種特殊的表面，具有低表面能屬性和復(fù)雜的微觀形貌。目前學(xué)術(shù)界[19，31-32，36，47]普遍認(rèn)為，在這兩個因素的共同作用下，流體在疏水表面流動時一部分與空氣接觸，一部分與離散表面突起部分接觸，形成不連續(xù)的氣液交界面（見圖20）。

圖20 疏水表面的滑移流動Fig.20 Slip flow of hydrophobic surface

根據(jù)Cassie模式接觸角方程（cosθc=f（1+ c osθe）-1，式中θc為疏水表面表觀接觸角， f為水滴與固體接觸面占復(fù)合界面百分?jǐn)?shù)，θe表示本征接觸角）。若以表觀接觸角θc=135°、本征接觸角θe=92°的疏水表面為例，反推可以得到水滴與固體接觸面百分比f=30%。這就是說，當(dāng)水滴置于這種疏水表面上時，只有約30%的面積是水滴和固體表面接觸，而在約70%的面積上水滴僅與氣膜接觸，這為滑移流動現(xiàn)象的產(chǎn)生提供了有利條件。

圖21 規(guī)則圓坑型疏水表面流場分布Fig.21 The flow field distribution of circular pit type hydrophobic surface

疏水表面的微觀形貌很復(fù)雜，主要由一些不同形狀、尺寸凹坑或凸起物的混亂分布所組成。為理論分析微形貌表面氣體存在與壁面滑移的關(guān)系，作者課題組[58]以簡化的具有相似尺寸的規(guī)則圓坑型微觀形貌表面為對象，數(shù)值模擬了圓坑內(nèi)充滿空氣且氣體穩(wěn)定駐留條件下的流場情況（見圖21）。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在氣液交界面上流速顯著擴(kuò)大，而摩擦剪應(yīng)力幾乎為零，即在氣液交界面處存在明顯滑移流動，平均滑移長度可達(dá)微米量級；不連續(xù)的液氣界面和液固界面造成壁面壓力分布不均勻，附帶產(chǎn)生壓差阻力；疏水表面減阻量受自由剪切面積比和形貌周期的改變而不同，數(shù)值模擬獲得的最大減阻量可超過20%。

作者課題組黃橋高等[59]在建立超疏水表面流場數(shù)值仿真模型的基礎(chǔ)上，對具有微觀形貌的超疏水表面在湍流狀態(tài)下的流場特性和減阻規(guī)律進(jìn)行了仿真研究。仿真結(jié)果顯示，超疏水表面氣液界面處產(chǎn)生了顯著的滑移流動，微觀形貌附近出現(xiàn)了成對的流向渦。這兩個因素共同抑制了湍流脈動，降低了各向雷諾應(yīng)力，減少了流動能量損失，從而使超疏水表面產(chǎn)生減阻效果。

圖22 普通光滑表面和超疏水表面湍動能分布和x方向雷諾正應(yīng)力分布Fig.22 Turbulent kinetic energy and Reynolds normal stress distribution in x direction of smooth surfaces and superhydrophobic surfaces

另外，作者課題組借鑒曹炳陽等人[60]的微流動模擬經(jīng)驗(yàn)，開展了低表面能平板通道內(nèi)微流動分子動力學(xué)模擬研究。模擬結(jié)果證明，由于壁面的低表面能特性，使得壁面附近產(chǎn)生滑移流動現(xiàn)象（如圖23），且滑移量隨壁面疏水性增強(qiáng)而增大，但滑移長度僅在納米量級。

圖23 低表面能納米通道內(nèi)微流動流場分布Fig.23 Micro flow field distribution in the low surface energy nano channels

綜上可見，疏水表面滑移流動與材料的表面能、微形貌及其內(nèi)部氣體層等因素均有關(guān)系，但其滑移量主要由微形貌內(nèi)氣體層所形成的穩(wěn)定氣、液交界面所產(chǎn)生。因此，保持或提高疏水表面水下減阻效果的關(guān)鍵在于，穩(wěn)定維持微形貌內(nèi)的氣體層，并盡量擴(kuò)大其所占界面面積比例。

5 結(jié) 語

疏水表面水下減阻屬兼具防污、降噪功能的新型仿生學(xué)減阻技術(shù)，具有非常廣泛的應(yīng)用前景。從目前相關(guān)研究報道來看，疏水表面的減阻功能已在實(shí)驗(yàn)室得到充分證實(shí)，其減阻機(jī)理也已初步明確，但仍存在大量問題有待揭示：

（1）各研究機(jī)構(gòu)采用的疏水材料差異較大，所獲得的研究結(jié)論也存在明顯偏差，急需開展疏水減阻規(guī)律的系統(tǒng)研究。

（2）疏水表面水下封存氣體已獲證實(shí)，但其駐留氣體原理以及微形貌對氣體駐留特性影響等內(nèi)在微觀機(jī)制仍未突破。

（3）多數(shù)數(shù)值模擬依據(jù)基于連續(xù)介質(zhì)假設(shè)的N-S方程，而實(shí)際疏水表面微形貌尺度為微、納米量級，其附近流動屬微流動學(xué)問題，存在數(shù)學(xué)模型偏差。

（4）疏水涂層涂裝工藝是該技術(shù)工程推廣的最佳途徑，因此，研制化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、粘附力強(qiáng)、環(huán)境適應(yīng)性好的疏水涂層材料是工程化研究的關(guān)鍵點(diǎn)。

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Recent development about drag reduction on hydrophobic micro-structured surfaces

HU Hai-bao1,HUANG Su-he1,SONG Bao-wei1,ZHANG Zhao-zhu2,LUO Zhuang-zhu3
(1 College of Marine,Northwestern Polytechnical University,Xi’an 710072,China;2 Lanzhou Institute of Chemical Physics,Chinese Academy of Sciences,Lanzhou 730000,China;3 Chongqing Institute of Green and Intelligent Technology,Chinese Academy of Sciences,Chongqing 400714,China)

Hydrophobic micro-structured surfaces drag reduction is a novel method in the study of the bioinspired drag reduction,which became a hot research topic in the last decade.Based on the properties of artificial and inartificial hydrophobic micro-structured surfaces,the recent development about drag reduction on hydrophobic micro-structured surfaces is reviewed generally from slip flow on the wall and microcosmic structures above the surface.Then the drag reduction experimental advancement about hydrophobic micro-structured surfaces is summarized in two parts:microcosmic tests and macroscopical tests.Finally,the potential drag reduction mechanism on the hydrophobic micro-structured surfaces and the shortage of recent research are analyzed.

hydrophobic micro-structured surface;drag reduction;slip flow;low surface energy

O357.5

A

10.3969/j.issn.1007-7294.2015.08.016

1007-7294（2015）08-1011-12

2015-02-15

國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（51335010）；國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51109178）；固體潤滑國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題資助項(xiàng)目（1210）；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金（3102015ZY017）

胡海豹（1979-），男，博士，副教授。