劉麗霞, 王康俊, 王鑫蔚, 田海平, 姜 楠,2,*

1. 天津大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 天津 300354; 2. 天津市現(xiàn)代工程力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 天津 300354;3. 太原理工大學(xué) 機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院, 太原 030024

0 引 言

湍流與壁面的摩擦阻力是流體流動(dòng)阻力的主要來(lái)源，通過(guò)控制湍流來(lái)減小壁面摩擦阻力對(duì)于節(jié)能減排具有重要的意義和應(yīng)用價(jià)值。溝槽壁面減阻和超疏水壁面減阻作為2種典型的被動(dòng)控制減阻技術(shù)，具有不需要額外能量消耗、控制簡(jiǎn)單易行、減阻效果顯著等優(yōu)點(diǎn)，一直受到學(xué)術(shù)界和工業(yè)部門(mén)的重視。

在溝槽減阻方面，Bechert等[1]通過(guò)油洞實(shí)驗(yàn)對(duì)各種溝槽結(jié)構(gòu)單元體的阻力性能進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)Blade型減阻效果最好，減阻率可達(dá)9.9%。Chamorro等[2]對(duì)表面覆蓋有縱向微溝槽的機(jī)翼模型進(jìn)行模擬研究，發(fā)現(xiàn)微溝槽的尺寸對(duì)其減阻效果有很大影響。Mamori等[3]對(duì)正弦型溝槽表面在湍流通道流中的渦旋結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)量，發(fā)現(xiàn)溝槽內(nèi)部產(chǎn)生的二次渦可以降低順流向反向旋轉(zhuǎn)渦對(duì)向上抬升低速流體的能力，從而降低湍流猝發(fā)。Benschop等[4]對(duì)一種具有防垢性能的溝槽表面進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，得到了6%的減阻率。楊紹瓊[5]和李山[6-7]等發(fā)現(xiàn)溝槽改變了相干結(jié)構(gòu)的空間形態(tài)和尺度，減少了近壁流體和外區(qū)的動(dòng)量能量交換。王鑫等[8]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明溝槽使得近壁區(qū)順向渦數(shù)量和尺度差異均減小，從而實(shí)現(xiàn)流動(dòng)減阻。

超疏水壁面減阻是新發(fā)展起來(lái)的一種新型仿生減阻技術(shù)。這種技術(shù)通過(guò)模仿荷葉表面微納尺度結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的超疏水效應(yīng)，利用人工制備超疏水壁面實(shí)現(xiàn)湍流減阻，是近年來(lái)學(xué)術(shù)研究的熱點(diǎn)。在超疏水減阻方面，Park等[9]通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)減阻效果與壁面微結(jié)構(gòu)的含氣率密切相關(guān)。Rastegari等[10]指出超過(guò)80%的減阻是由壁面有效滑移引起的。Gose等[11]基于高雷諾數(shù)研究了4個(gè)不同的機(jī)械耐用超疏水表面在充分發(fā)展的湍流邊界層中的減阻特性，發(fā)現(xiàn)減阻程度取決于表面精確的形態(tài)。Arenas等[12]對(duì)粗糙元上同時(shí)覆蓋著氣層和液層2種流體的槽道湍流進(jìn)行直接數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)2種流體的界面形成的潤(rùn)滑層和覆蓋在上面的流體降低了總的阻力，法向脈動(dòng)速度的大小與總阻力密切相關(guān)。Rowin等[13]對(duì)隨機(jī)凸起產(chǎn)生的超疏水壁湍流進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)超疏水壁面的流向和展向速度剖面均高于光滑親水表面，達(dá)到了38%的減阻率。Fairhall等[14]發(fā)現(xiàn)超疏水壁湍流中壁面滑移的直接效應(yīng)并沒(méi)有改變壁面上湍流的動(dòng)力學(xué)特性，壁面摩擦阻力是由2個(gè)虛擬原點(diǎn)決定的，一個(gè)是平均流場(chǎng)的虛擬原點(diǎn)，一個(gè)是溝槽湍流的虛擬原點(diǎn)，減阻率正比于這2個(gè)虛擬原點(diǎn)之差。北京大學(xué)余永生等[15]對(duì)涂有聚四氟乙烯的疏水壁面進(jìn)行了層流減阻研究，發(fā)現(xiàn)減阻效果來(lái)源于層流，而非轉(zhuǎn)捩延遲，并認(rèn)為粗糙表面和疏水涂層共同決定疏水性能。清華大學(xué)張靜嫻等[16-17]對(duì)超疏水壁面的湍流邊界層進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)在近壁區(qū)由于發(fā)卡渦抬升，湍流脈動(dòng)強(qiáng)度減弱，超疏水表面湍流相干結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定。胡海豹等[18]通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)超疏水表面在湍流狀態(tài)下的減阻效果進(jìn)行了研究，結(jié)果表明超疏水表面氣液界面處產(chǎn)生了顯著的滑移流動(dòng)，滑移越大，減阻效果越明顯。蘇健等[19]發(fā)現(xiàn)超疏水壁面減阻效果的發(fā)生與逆向渦的存在密切相關(guān)。田海平等[20-21]從壁湍流相干結(jié)構(gòu)控制的角度對(duì)超疏水壁面減阻的機(jī)理進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)超疏水壁面通過(guò)削弱猝發(fā)事件的強(qiáng)度及低速條帶的尺度實(shí)現(xiàn)減阻。劉鐵峰等[22]發(fā)現(xiàn)超疏水表面摩擦阻力的減小與其能夠使壁湍流中的湍動(dòng)能向小能量尺度相干結(jié)構(gòu)傾斜密切相關(guān)。

由于單一的被動(dòng)減阻技術(shù)的減阻效果有限，因此本文將溝槽壁面與超疏水壁面相結(jié)合形成溝槽超疏水復(fù)合壁面，利用二者的優(yōu)勢(shì)進(jìn)一步提高減阻效率，并用TRPIV技術(shù)測(cè)量湍流邊界層在溝槽超疏水復(fù)合壁面、超疏水壁面以及親水壁面的瞬時(shí)速度場(chǎng)，通過(guò)對(duì)3種壁面湍流邊界層速度場(chǎng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，研究溝槽超疏水復(fù)合壁面的減阻機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與技術(shù)

實(shí)驗(yàn)在天津大學(xué)流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)室重力溢流低湍流度回流水洞中進(jìn)行。水洞實(shí)驗(yàn)段尺寸為4.1 m×0.6 m×0.7 m (長(zhǎng)×寬×高), 流速最高達(dá)0.5 m/s, 背景湍流度小于1%。實(shí)驗(yàn)用大平板尺寸為3.70 m×0.59 m×0.01 m(長(zhǎng)×寬×厚)，前緣按 8∶1橢圓修形。大平板前緣下游3.3 m處開(kāi)有凹槽，用于鑲嵌尺寸為13 cm×13 cm×1 cm(長(zhǎng)×寬×厚)的親水平板、超疏水平板以及溝槽超疏水平板模型。為了獲得充分發(fā)展的湍流邊界層，在大平板前緣下游 200 mm處裝有直徑dt=2 mm的拌線。實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。在本文中x、y和z分別代表流向、法向和展向，u、v和w分別為流向、法向和展向脈動(dòng)速度。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig. 1 Experimental setup diagram

實(shí)驗(yàn)所用親水、超疏水和溝槽超疏水平板模型的主要制作過(guò)程為：選用邊長(zhǎng)lm=13 cm的方形鋁板，將鋁板拋光后放入超聲波容器清洗。所有方板的側(cè)面都加工成梯形槽，以鑲嵌在大平板的凹槽當(dāng)中。將其中一塊已拋光的光滑板作為親水壁面，將其表面涂為黑色以減少激光反射，其余板用于制作超疏水和溝槽超疏水復(fù)合壁面。

本文利用超快激光刻蝕的方法獲得超疏水表面。制備超疏水表面的主要過(guò)程為：利用飛秒激光器的高能激光束聚焦而成的極小光斑，在焦點(diǎn)處形成很高的功率密度使材料在瞬間氣化蒸發(fā)，從而在方形鋁板上形成縱向U型微溝槽以構(gòu)造超疏水表面。激光的加工精度為2 μm， U型微溝槽結(jié)構(gòu)寬ws=35 μm，深hs=30 μm，長(zhǎng)ls=120 mm，U型微溝槽結(jié)構(gòu)中心線之間的距離ds=50 μm，其結(jié)構(gòu)如圖2(a)所示。最后以氟硅烷溶液降低其表面能(關(guān)于降低表面能的具體細(xì)節(jié)詳見(jiàn)文獻(xiàn)[23])，由此方法獲得的超疏水板壁面靜態(tài)接觸角能夠達(dá)到155°。根據(jù)Cassie方程 cosθc=φs(cosθe+1)-1可算得水與固體表面接觸的面積占總表面積的比φs，式中θc=155°為實(shí)驗(yàn)的表觀接觸角，θe=108°為鋁板氟化處理后的本征接觸角，因此φs=0.125。進(jìn)而可以知道在超疏水表面上氣層的覆蓋面積達(dá)到了87.5%，而U型微溝槽的面積占整體表面積的比為70%，可以推測(cè)出U型微溝槽內(nèi)的氣體是呈現(xiàn)出一定的外溢狀態(tài)并且附著在固體表面的，能提供良好的超疏水性能。

關(guān)于溝槽超疏水板的制作，考慮到溝槽的強(qiáng)度以及在溝槽表面刻蝕微結(jié)構(gòu)的可行性，先在鋁板表面加工出三角形順流向溝槽，然后重復(fù)上述制備超疏水表面的方法，從而得到溝槽超疏水復(fù)合壁面。其中三角形順流向溝槽頂角為60°，槽深h=1.6 mm，溝槽之間的間距s=1.85 mm，其結(jié)構(gòu)如圖2(b)所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜋M截面示意圖Fig. 2 Cross-section schematic diagram of the experimental model

實(shí)驗(yàn)用示蹤粒子為直徑dp=20 μm的空心玻璃微珠，粒子密度ρp=1.04 kg/m3。實(shí)驗(yàn)時(shí)自由來(lái)流速度U∞=0.26 m/s，水溫T=22 ℃，水的密度ρ=998 kg/m3，動(dòng)力黏性系數(shù)μ=959×10-6kg/(m·s)。PIV粒子圖像的采集采用的是丹麥Dantec公司的SpeedSense 9072 CCD相機(jī)，其分辨率為1280 pixel×800 pixel，對(duì)應(yīng)的物理空間尺寸為88.6 mm×54.6 mm (x×y)，照亮流場(chǎng)的激光片光源的厚度約為1 mm。粒子圖像采樣頻率fa=400 Hz，自由來(lái)流部分的粒子在相鄰2幀圖像之間的位移約為9 pixel，粒子圖像的粒子濃度約為每32 pixel×32 pixel中22個(gè)粒子。每個(gè)模型以每組記錄8215張圖像的方式采集3組共24 645張粒子圖像，然后采用丹麥Dantec公司的DynamicStudio軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理互相關(guān)計(jì)算。查詢窗口大小為 32 pixel×32 pixel，窗口重疊率為75%，得到的每個(gè)瞬時(shí)二維速度矢量場(chǎng)具有156×93 (x×y)個(gè)速度矢量，插值的速度矢量占比低于1%，流向及法向上相鄰矢量之間的空間間隔dx=dy=0.562 mm，速度場(chǎng)測(cè)量的相對(duì)誤差約為1%。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 湍流基本統(tǒng)計(jì)量分析

表1 基本湍流減阻參數(shù)Table 1 Basic turbulent drag reduction parameters

圖3 平均速度剖面Fig. 3 Comparison of mean velocity profiles

由圖3可以看出，在同一法向高度，溝槽超疏水復(fù)合壁面、超疏水壁面與親水壁面的內(nèi)尺度無(wú)量綱化平均速度依次降低。超疏水壁面和溝槽超疏水復(fù)合壁面相比于親水壁面緩沖層增厚，對(duì)數(shù)律區(qū)依次上移，速度剖面上移，這與前人研究結(jié)果一致[22]。溝槽超疏水復(fù)合壁面的減阻效果優(yōu)于單一的超疏水壁面，在表1中計(jì)算的減阻率中也有所體現(xiàn)。

圖4(b)為相應(yīng)的雷諾切應(yīng)力曲線。在y+<150 時(shí)親水壁面、超疏水壁面和溝槽超疏水復(fù)合壁面的雷諾切應(yīng)力依次減弱，與流向湍流脈動(dòng)強(qiáng)度在不同壁面之間的變化一致，進(jìn)一步表明在y+<150 時(shí)溝槽超疏水復(fù)合壁面對(duì)湍流脈動(dòng)的抑制效果優(yōu)于超疏水壁面。在y+≈100時(shí)平板壁面、超疏水壁面達(dá)到了雷諾切應(yīng)力的峰值，而溝槽超疏水復(fù)合壁面的雷諾切應(yīng)力峰值則在y+≈200處并且開(kāi)始與親水壁面趨于一致，表明溝槽超疏水復(fù)合壁面在y+>100

時(shí)出現(xiàn)了對(duì)湍流脈動(dòng)抑制效果的衰減，且衰減程度高于超疏水壁面，因此出現(xiàn)150

圖4 湍流度和雷諾切應(yīng)力剖面Fig. 4 Turbulence intensity and Reynold shear stress profiles

2.2 尺度分解

一般認(rèn)為湍流邊界層中的湍流脈動(dòng)能量是由大尺度結(jié)構(gòu)向小尺度結(jié)構(gòu)傳遞[26]。近年來(lái),學(xué)術(shù)界發(fā)現(xiàn)湍流邊界層中大尺度脈動(dòng)對(duì)小尺度脈動(dòng)存在調(diào)制作用，即當(dāng)大尺度湍流脈動(dòng)為正時(shí),小尺度湍流脈動(dòng)強(qiáng)度會(huì)增強(qiáng)，而當(dāng)大尺度湍流脈動(dòng)為負(fù)時(shí),小尺度湍流脈動(dòng)強(qiáng)度會(huì)減弱[27]。因此,為了進(jìn)一步研究超疏水壁面和溝槽超疏水復(fù)合壁面對(duì)不同尺度的湍流脈動(dòng)的影響，本文將瞬時(shí)的脈動(dòng)速度場(chǎng)分解為大尺度部分與小尺度部分。常見(jiàn)的尺度分解方法有小波分解、POD分解、空間濾波等。本文采用基于空間傅里葉變換的空間濾波方法，首先將脈動(dòng)速度沿流向進(jìn)行傅里葉變換，而后在波數(shù)空間內(nèi)以λx作為截?cái)嗖ㄩL(zhǎng)(λx/δ=1)，直接將原始脈動(dòng)速度信號(hào)中波長(zhǎng)小于λx部分的幅值設(shè)為0；然后進(jìn)行反傅里葉變換，取其實(shí)部為相應(yīng)的大尺度脈動(dòng)信號(hào)，而波長(zhǎng)小于λx的部分則為相應(yīng)的小尺度脈動(dòng)信號(hào)。圖5(a)為親水壁面下隨機(jī)選取的一個(gè)瞬時(shí)流向脈動(dòng)速度的等值線圖，圖5(b)和(c)為分解后相應(yīng)的大、小尺度流向脈動(dòng)速度等值線圖，其分解結(jié)果與Hutchins等[27]采用泰勒凍結(jié)假設(shè)對(duì)熱線風(fēng)速儀的時(shí)間速度信號(hào)作尺度分解的結(jié)果一致。

圖5 不同尺度的脈動(dòng)速度Fig. 5 Fluctuation velocity of different scales

2.3 大小尺度湍流脈動(dòng)強(qiáng)度

圖6為尺度分解后的大、小尺度湍流脈動(dòng)強(qiáng)度。從圖6(a)中可以看出，大尺度流向湍流脈動(dòng)強(qiáng)度的變化趨勢(shì)與圖4一致，但是相應(yīng)的幅值有所減小。而圖6(b)中超疏水壁面和溝槽超疏水復(fù)合壁面的小尺度流向湍流脈動(dòng)強(qiáng)度只有在y+<100時(shí)才存在明顯的減弱，且減弱的差值隨著y+的增加而快速減小，而小尺度法向湍流脈動(dòng)強(qiáng)度在不同壁面時(shí)無(wú)明顯變化。但是當(dāng)y+>100時(shí)，不同壁面的小尺度流向湍流脈動(dòng)強(qiáng)度和法向湍流脈動(dòng)強(qiáng)度都快速地趨于一致。對(duì)比圖6和圖4可以看出，流向湍流脈動(dòng)強(qiáng)度的大尺度成分占比較高，而法向湍流脈動(dòng)強(qiáng)度的小尺度成分占比較高。超疏水壁面和溝槽超疏水復(fù)合壁面對(duì)大尺度流向湍流脈動(dòng)強(qiáng)度的抑制作用可以到達(dá)y+=150的法向位置，而對(duì)小尺度流向湍流脈動(dòng)強(qiáng)度的抑制作用只能到達(dá)y+=100的法向位置，法向湍流脈動(dòng)強(qiáng)度則不受壁面影響。

圖6 分尺度湍流脈動(dòng)強(qiáng)度Fig. 6 Turbulence fluctuation intensity of different scales

2.4 大尺度脈動(dòng)速度條件相位平均

湍流邊界層中的大尺度湍流脈動(dòng)主要是由沿流向排列的發(fā)卡渦包向下游遷移過(guò)程中在發(fā)卡渦包內(nèi)部由發(fā)卡渦頭的聯(lián)合誘導(dǎo)作用產(chǎn)生的大尺度低速流體與上游的高速流體相碰撞導(dǎo)致，也就是通常所說(shuō)的Q2與Q4事件[26]。近年來(lái)，研究發(fā)現(xiàn)大尺度Q2與Q4事件除了對(duì)近壁區(qū)小尺度湍流脈動(dòng)強(qiáng)度產(chǎn)生抑制和促進(jìn)作用外，還能對(duì)近壁區(qū)的渦結(jié)構(gòu)運(yùn)用產(chǎn)生類(lèi)似的調(diào)制作用[27]。由于壁面摩擦阻力與近壁區(qū)的雷諾切應(yīng)力直接關(guān)聯(lián)[28-29]，而渦結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)是近壁區(qū)雷諾切應(yīng)力的主要來(lái)源，因此大尺度Q2與Q4事件對(duì)壁面摩擦阻力的產(chǎn)生具有重要影響。

為了研究不同壁面情況下大尺度湍流脈動(dòng)與渦結(jié)構(gòu)的變化，本文采用基于展向渦的條件相位平均方法，以0.1δ處的展向渦為條件，對(duì)此處的大尺度湍流脈動(dòng)速度場(chǎng)進(jìn)行相位平均。展向渦的識(shí)別采用的是Λci準(zhǔn)則[30]，Λci=λciωz/|ωz|表示流體旋轉(zhuǎn)的強(qiáng)度，其中λci為速度梯度張量復(fù)特征值的虛部，ωz為展向渦量。條件相位平均公式為：

〈uL(rx,y)〉=〈uL(x+rx,y)|Λci(x,yref)<0〉

(1)

其中，uL為大尺度脈動(dòng)速度，由于發(fā)卡渦為順向渦，其Λci為負(fù)值，因此條件相位平均后的速度場(chǎng)表示的是發(fā)卡渦渦頭附近的大尺度脈動(dòng)速度的平均值。

圖7為親水壁面、超疏水壁面以及溝槽超疏水復(fù)合壁面在yref=0.1δ時(shí)的大尺度流向脈動(dòng)速度的條件相位平均值。圖中的矢量箭頭為相應(yīng)的速度場(chǎng)，黑色圓點(diǎn)標(biāo)記的是相位平均的參考點(diǎn)位置。從圖中可以看出，大尺度流向脈動(dòng)速度在參考點(diǎn)上部是正向脈動(dòng)，在參考點(diǎn)下部是負(fù)向脈動(dòng)。其中，正向脈動(dòng)幅值在親水壁面、超疏水壁面以及溝槽超疏水復(fù)合壁面上依次增大；而負(fù)向脈動(dòng)幅值依次減小，且流向脈動(dòng)幅值為0的等值線相對(duì)參考點(diǎn)的位置在不同壁面上均偏上，親水壁面的偏離程度最大，超疏水壁面次之，溝槽超疏水復(fù)合壁面偏離最低。0等值線與參考點(diǎn)之間的偏離是由順向渦對(duì)下方流體的誘導(dǎo)作用使Q2與Q4的交界面上抬導(dǎo)致[31]，這表明超疏水壁面與溝槽超疏水復(fù)合壁面在近壁區(qū)對(duì)順向渦的誘導(dǎo)作用能夠產(chǎn)生抑制效果，且溝槽超疏水復(fù)合壁面效果更為明顯。

圖7 yref=0.1δ時(shí)大尺度流向脈動(dòng)速度條件相位平均等值線圖Fig. 7 Conditional phase average contour of large scale streamwise fluctuating velocity condition at yref=0.1δ

超疏水壁面與溝槽超疏水復(fù)合壁面在近壁區(qū)對(duì)順向渦本身的運(yùn)動(dòng)也存在顯著的抑制效果。圖8為親水壁面、超疏水壁面以及溝槽超疏水復(fù)合壁面在yref=0.1δ時(shí)的大尺度法向脈動(dòng)速度的條件相位平均值。圖中參考點(diǎn)左邊為正的脈動(dòng)，右面為負(fù)的脈動(dòng)，正的脈動(dòng)幅值在親水壁面、超疏水壁面以及溝槽超疏水復(fù)合壁面依次減小，負(fù)的脈動(dòng)幅值依次增大，這種變化趨勢(shì)正好與流向脈動(dòng)幅值相反。而法向脈動(dòng)幅值為0的等值線相對(duì)參考點(diǎn)的位置在不同壁面上都偏右，且偏離程度依次減小，這種減小的趨勢(shì)與流向脈動(dòng)幅值的0等值線相一致。這表明超疏水壁面與溝槽超疏水復(fù)合壁面對(duì)順向渦的向上運(yùn)動(dòng)也具有抑制作用，且溝槽超疏水復(fù)合壁面的抑制效果更強(qiáng)，該結(jié)果符合附著渦模型的假設(shè)[32]。

圖8 yref=0.1δ時(shí)大尺度法向脈動(dòng)速度條件相位平均等值線圖Fig. 8 Conditional phase average contour of large scale normal fluctuating velocity condition at yref=0.1δ

從圖6可看出，在超疏水壁面與溝槽超疏水復(fù)合壁面上，大尺度流向脈動(dòng)強(qiáng)度在y+<150或者y<0.24δ時(shí)相對(duì)于親水壁面呈減弱趨勢(shì)，大尺度法向脈動(dòng)強(qiáng)度則幾乎不變；但是基于順向渦的條件相位平均結(jié)果，卻出現(xiàn)正的大尺度流向脈動(dòng)與負(fù)的法向脈動(dòng)增強(qiáng)、負(fù)的大尺度流向脈動(dòng)與正的法向脈動(dòng)減弱。這表明順向渦向Q2與Q4事件之間的滯止線上游即Q4事件一側(cè)移動(dòng)，且在溝槽超疏水復(fù)合壁面上移動(dòng)趨勢(shì)最弱，說(shuō)明順向渦的活動(dòng)強(qiáng)度受到了明顯抑制，因此相應(yīng)的發(fā)卡渦包對(duì)大尺度脈動(dòng)的產(chǎn)生強(qiáng)度出現(xiàn)減弱。

圖9為3種壁面下順向渦的強(qiáng)度值Λci隨法向的變化。從圖中可以看到，在y<0.16δ時(shí)3種壁面的渦強(qiáng)度值都呈先增大后減小的趨勢(shì)，而在同法向高度位置上,親水壁面、超疏水壁面以及溝槽超疏水復(fù)合壁面的渦強(qiáng)度值則依次減弱，這進(jìn)一步說(shuō)明了超疏水壁面以及溝槽超疏水復(fù)合壁面對(duì)近壁區(qū)的渦結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)存在抑制作用。因此，超疏水壁面以及溝槽超疏水復(fù)合壁面通過(guò)減小近壁區(qū)的發(fā)卡渦以及發(fā)卡渦包結(jié)構(gòu)的活動(dòng)來(lái)減弱大尺度湍流脈動(dòng)的強(qiáng)度，進(jìn)而通過(guò)大尺度湍流脈動(dòng)對(duì)小尺度湍流脈動(dòng)的調(diào)制作用來(lái)減小小尺度湍流脈動(dòng)的強(qiáng)度，從而實(shí)現(xiàn)壁面減阻。

圖9 順向渦強(qiáng)度Fig. 9 Prograde vorticity strength

超疏水壁面的減阻效果主要是由壁面滑移引起，溝槽壁面的減阻效果則由溝槽內(nèi)部的二次渦對(duì)外部湍流邊界層近壁區(qū)高低速條帶結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的抑制導(dǎo)致。溝槽超疏水復(fù)合壁面同時(shí)具有超疏水壁面與溝槽壁面的結(jié)構(gòu)特性，而在溝槽超疏水復(fù)合壁面溝槽內(nèi)部的二次渦流動(dòng)與壁面之間出現(xiàn)滑移之后，其本身的特點(diǎn)以及對(duì)外部湍流邊界層的近壁區(qū)高低速條帶結(jié)構(gòu)的影響還需開(kāi)展進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)研究。

3 結(jié) 論

本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，在湍流邊界層中溝槽超疏水復(fù)合壁面的減阻率能夠達(dá)到20.7%，而超疏水壁面只有14.6%。通過(guò)進(jìn)一步對(duì)比分析湍流邊界層在親水壁面、超疏水壁面以及溝槽超疏水復(fù)合壁面的速度場(chǎng)，可以得出以下結(jié)論：

1) 在y+<150區(qū)域的同一法向高度上，流向湍流脈動(dòng)強(qiáng)度在溝槽超疏水復(fù)合壁面上相對(duì)于親水壁面的減小程度比超疏水壁面更高，而法向湍流脈動(dòng)強(qiáng)度在3種壁面上無(wú)明顯變化。

2) 超疏水壁面和溝槽超疏水復(fù)合壁面對(duì)大尺度流向湍流脈動(dòng)強(qiáng)度的抑制作用可以到達(dá)y+=150的法向位置，而對(duì)小尺度流向湍流脈動(dòng)強(qiáng)度的抑制作用只能到達(dá)y+=100的法向位置。

3) 以順向渦為條件采樣時(shí)，在yref=0.1δ處超疏水壁面和溝槽超疏水復(fù)合壁面的大尺度脈動(dòng)速度場(chǎng)相比于親水壁面都出現(xiàn)參考點(diǎn)上方正的大尺度流向脈動(dòng)速度增強(qiáng)、下方負(fù)的大尺度流向脈動(dòng)速度減弱、左方正的大尺度法向脈動(dòng)速度減弱、右方負(fù)的大尺度法向脈動(dòng)速度增強(qiáng)。

4) 流向脈動(dòng)速度為0的等值線相對(duì)參考點(diǎn)向上偏離的趨勢(shì)以及法向脈動(dòng)速度為0的等值線相對(duì)參考點(diǎn)向右偏離的趨勢(shì)在親水壁面、超疏水壁面和溝槽超疏水復(fù)合壁面上依次減弱。

5) 同法向高度上親水壁面、超疏水壁面以及溝槽超疏水復(fù)合壁面的順向渦強(qiáng)度值依次減弱。

6) 溝槽超疏水復(fù)合壁面比超疏水壁面能更有效地抑制近壁區(qū)渦結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，從而減弱湍流脈動(dòng)的強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)更好的減阻效果。