CN108645757A - 一种测量超疏水表面有效滑移长度的装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种测量超疏水表面有效滑移长度的装置，包括：第一电机、叶轮、水槽以及旋涡频率测量单元；叶轮设于水槽中且固定在第一电机的输出轴上，用于提供水流循环动力；水槽包括可更换试验段；旋涡频率测量单元包括第二电机、旋转圆柱、旋涡测速仪以及处理器；第二电机的输出轴连接旋转圆柱，旋转圆柱位于可更换试验段中，用于在第二电机驱动下旋转，在可更换试验段中产生旋涡；旋涡测速仪用于测量旋涡脱落速度；处理器用于根据旋涡脱落速度求解有效滑移长度；旋转圆柱为待测超疏水材料制成，或者，旋转圆柱表面具有待测超疏水材料层。本发明具有较少的误差来源、较低的时间成本、可以测量更广泛的介质、对测量条件和测量操作具有相对简单的要求等优点。

Description

一种测量超疏水表面有效滑移长度的装置及方法

技术领域

本发明属于流体力学领域，更具体地，涉及一种应用流体力学测量测量超疏水表面有效滑移长度的装置及方法。

背景技术

近年来，超疏水表面吸引了越来越多的研究者的兴趣。超疏水表面的发现是受到了自然界中荷叶表面的启发。荷叶表面的液滴具有很大的接触角和很小的迟滞角。进一步通过高倍电子显微镜观察，荷叶表面具有多级的蜡质微观结构，在加热使这些微观结构融化后，荷叶表面随之失去超疏水性。因此，超疏水性是由疏水表面与其上的粗糙微观结构共同构成。超疏水表面之上的粗糙微观结构可以是规则的，也可以是不规则的。

具有规则微观结构的超疏水表面如图1所示，一般用P代表一个周期性微观结构的长度，W代表其中固体的长度。超疏水表面的气液比GF(gas fraction)定义为：GF＝(P-W)/P。超疏水表面可以应用到很多领域中，如减阻、自清洁、防腐蚀、防覆冰、抗生物污染等。

液体在物体表面有图2所示的典型三类浸润状态。包含液体对光滑表面浸润；液体在粗糙表面呈Wenzel态；以及液滴在超疏水表面Cassie-Baxter态。一般认为当液滴处于Cassie-Baxter态时超疏水表面才具有真正的超疏水性。这时液体与表面的接触角大于150°，滚动迟滞角小于10°。

在超疏水表面的液体能保持Cassie-Baxter态时，此时液体与超疏水表面的实际微观接触面分为气液接触面与固液接触面。对于气液接触面而言，其对液体形成的摩擦阻力极小；因而总的来说液体在材料表面形成一个有效的滑移长度。

液体在固体表面的滑移特征可参见图3所示。对于光滑固体上的纯液相物质而言，其滑移长度在分子尺度；对于宏观材料与装置表面而言，这一滑移长度可忽略，近似为无滑移壁面；但对于微纳米尺度的装置与仪器，则不可忽略。本发明关注的是液相与固相之间存在气体介质；参见图3(b)所示，尽管宏观上气相与固体表面可认为无滑移表面，但这样的气层处在微纳米的尺度范围，宏观上甚至观察不到。因而对液相而言，宏观上呈现了一定的滑移长度与对应的滑移特征。

对于超疏水表面而言，其表面与液体之间部分是直接接触，部分则包含了微小的气层；但其总体性能在宏观上表现出一定的滑移特征，具有一定的有效滑移长度，参见图3(c)所示。

材料表面的滑移长度关系到材料与液体间的摩擦力，对设备润滑、水下航行器减阻、水中兵器的快速运动、提高消防设备喷水扬程等方面具有重要的性能影响，其测量非常有必要。

目前，对材料表面的滑移长度的测量有较大难度。现有的实验手段来测量滑移长度的方法通常是追踪壁面附近流体的方法、测量力或者位移的方法以及毛细管方法。

通过昂贵且复杂的粒子图像测速(PIV方法)可追踪壁面流体的流速分布，是直接对滑移长度进行测量，但是由于示踪粒子与超疏水表面之间可能存在电动力效应，因此这种方法测量得到的滑移长度结果并不可靠。

流变仪测量方法是对超疏水表面流体的滑移进行间接的测量，但是由于不能确定流体在超疏水表面的铺展是否均匀，其测量结果也不可靠。

一些研究者对这类方法进行改进，即通过处理超疏水表面以解决液体在超疏水表面间隙内部的横截面分布不均匀的问题，但是，其极为严格的测量操作要求，比如测量中安装夹具时要保证其与超疏水表面之间水平和夹具要在测量区域的正中，依旧会由于操作者的个人水平导致在测量过程中引入误差。

还有研究者提出通过微型滑块轴承润滑油膜测量轴承界面的滑移长度，这种方法的需要在测量前反复调整滑块并观察干涉条纹来保证滑块与玻璃盘平行，非常消耗时间且如果不能保证平行则会直接影响测量结果。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种测量超疏水表面有效滑移长度的装置及方法，其目的在于通过制造旋涡，测量旋涡脱落速度换算出有效滑移长度，由此解决现有技术中设备复杂、对操作者要求高以及精度不足的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种测量超疏水表面有效滑移长度的装置，包括：第一电机、叶轮、水槽以及旋涡频率测量单元；

叶轮设于水槽中且固定在第一电机的输出轴上，用于提供水流循环动力；水槽包括可更换试验段；

旋涡频率测量单元包括第二电机、旋转圆柱、旋涡测速仪以及处理器；第二电机的输出轴连接旋转圆柱，旋转圆柱位于可更换试验段中，用于在第二电机驱动下旋转，在可更换试验段中产生旋涡；旋涡测速仪用于测量旋涡脱落速度；处理器用于根据旋涡脱落速度求解有效滑移长度；

其中，旋转圆柱为待测超疏水材料制成，或者，旋转圆柱表面具有待测超疏水材料层。

进一步地，水槽为循环水槽，包括从上游向下游串接的扩张段、收缩段以及可更换试验段。

进一步地，扩张段内设有多个导流叶片，多个导流叶片沿水流方向阵列分布。

进一步地，扩张段具有拐角，导流叶片设于拐角处。

进一步地，扩张段中靠近与收缩段连接的位置设有蜂窝器。

进一步地，收缩段与可更换试验段之间设有压力平衡缝。

进一步地，旋涡测速仪为热线风速仪、激光多普勒测速仪或者毕托管。

为了实现上述目的，本发明还提供了一种测量超疏水表面有效滑移长度的方法，利用待测超疏水材料制成旋涡发生器，在水中旋转产生旋涡；测量旋涡脱落速度，经傅里叶变换求出速度功率谱，进而求出旋涡的脱落频率；然后利用数值模拟方式直接获得该脱落频率对应的有效滑移长度值。

为了实现上述目的，本发明还提供了一种测量超疏水表面有效滑移长度的方法，利用已知有效滑移长度的超疏水材料制成旋涡发生器，在水中旋转产生旋涡；测量旋涡脱落速度，经傅里叶变换求出速度功率谱，进而求出旋涡的脱落频率，从而建立超疏水材料表面的滑移长度与旋涡脱落频率的单调关系；

然后，利用待测超疏水材料制成旋涡发生器，在水中旋转产生旋涡并测量其旋涡脱落频率，根据超疏水材料表面的滑移长度与旋涡脱落频率的单调关系直接获得待测超疏水材料表面的滑移长度。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果；

1、可以降低测量超疏水表面有效滑移的时间成本、误差来源和操作要求，同时可以测量更广泛的介质。

2、本发明应用的旋转圆柱测量方法属于间接测量法，相比于使用流变仪和微型滑块轴承的测量方法，其测量条件和测量操作具有相对简单的要求，可以减少操作过程中可能的误差来源；相比于微型滑块轴承润滑油膜测量方法，无需在测量前进行繁复的仪器调整，更加节省时间；相比于PIV方法，不涉及微观粒子与壁面的电动力效应。

3、本发明的装置及方法可获得超疏水表面材料的有效滑移长度以及对应的气体分数；从而可以在不需要昂贵的电子电子显微镜的情况下，就可以获知超疏水材料的性能。

4、本发明通过建立超疏水材料表面的滑移长度与旋涡脱落频率的单调关系，将有效滑移长度这种极难测量的物理量转化为了测量速度，通过速度测量获得漩涡脱落频率的特征。这样对这一复杂变量找到了简单的测试方法，且所需的测量设备较为普遍，且价格低廉，容易获取，因此极易推广使用。

5、本发明在当前广泛缺乏滑移长度标准的情况下，利用直接数值模拟结果对滑移长度进行标定。而直接数值模拟结果高度准确，且计算较为方便，一般的计算流体力学软件与开源代码都可以完成这样高精度的数值模拟，而且可以比较、重复、验证，确保其精度。随着将来滑移长度数据的进一步填充完整，可以进一步获得更丰富准确的标定关系。

6、本发明提供了一种简单、方便、快捷、经济并可靠的方法，化解了超疏水材料有效滑移长度测量这一复杂难题。未来可依此快速准确的测量新研制超疏水材料的滑移长度，从而可大幅降低采用超疏水表明材料提高水中兵器速度、降低水下航行器摩擦阻力、减少大型海运的能量消耗以及碳排放等诸多领域的研发周期。

附图说明

图1为本发明中所测量的超疏水表面的微观结构示意图，此处为具有规则微观表面结构的超疏水表面；

图2为固体表面的浸润状态：(a)光滑表面液体；(b)液滴在粗糙表面呈Wenzel态；(c)液滴在超疏水表面Cassie-Baxter态；

图3为固体表面的滑移特性：(a)光滑固体表面的滑移长度在分子尺度，可近似为无滑移壁面；(b)由于气层的粘性与密度低于液体，无滑移的固体表面可等效为较大的滑移长度；(c)利用中图的等效滑移假设，超疏水表面在宏观上可由一个有效滑移近似；

图4为Re＝100时，第一旋涡脱落区St随着α和GF的变化规律；

图5为Re＝100时，第二旋涡脱落区St随着α和GF的变化规律；

图6为Re＝100、Re＝120和Re＝140时，b/D与GF之间的对应关系；

图7为本发明的测量装置示意图；

图8为旋涡频率测量测量装置示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-第一电机、2-叶轮、3-扩张段、4-导流叶片、5-蜂窝器、6-收缩段、7-压力平衡缝、8-可更换试验段、9-第二电机、10-旋转圆柱、11-旋涡测量区、12-热线风速仪、13-热膜探头、14-电脑、15-开关。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明的目的在于以理论与直接数值模拟仿真获得的滑移长度与漩涡脱落的单调关系，通过间接测量漩涡脱落的频率，提供一种更易操作的测量手段来测定一个未知超疏水表面的性质。

液体滑移边界条件为：

其中，u_s为表面的滑移速度，b为表面的滑移长度。超疏水表面的有效滑移长度L表示整个超疏水表面上液体的平均滑移长度。工业上为了降低制造成本，超疏水表面的微观结构一般是不规则的，因此有效滑移长度L相比于GF是一个应用更加广泛的量。研究者通过数值模拟Re＝100时具有超疏水表面的圆柱绕流问题，得到了L和GF的等价关系。

旋转圆柱的尾涡在旋转速度为α≈2时会被抑制住，此前有旋涡脱落的区域被称为第一旋涡脱落区，此时旋涡脱落为卡门涡街形式；在4.80≤α≤5.13的转速区间，又会出现旋涡的脱落，此为第二旋涡脱落区，此时旋涡脱落为单侧脱落。通过数值计算具有不同GF值对超疏水表面圆柱在第一和第二涡脱落区的涡脱落频率的影响，发现在两个涡脱落区内，旋涡的脱落频率随着GF值的增大而单调增大。

涡脱落频率试验主要采用两种方式：(1)测量尾迹区的脉动速度信号，再由速度功率谱求出旋涡的脱落频率，测速方法主要包括热线风速仪和激光测速仪；(2)测量尾迹区的压力脉动信号，再由压力功率谱求出旋涡的脱落频率，测压方式主要采用压力传感器。

测量装置主要由循环水槽部分和旋涡频率测量部分组成。整体测量装置的组成部分为：第一电机1、叶轮2、扩张段3、导流叶片4、蜂窝器5、收缩段6、压力平衡缝7、可更换试验段8。其中，可更换试验段即为旋涡频率测量部分，这部分的具体测量装置的各部分为：第二电机9、旋转圆柱10、旋涡测量区11、热线风速仪12、热膜探头13、电脑14、开关15。此处的热膜探头采用TSI公司恒温热线风速仪的1根单丝热膜在尾流区内进行测试。

测量中可调置流速，使得相对圆柱而言有雷诺数为100，或其它值。水流到达试验段时其速度为恒定，其值根据圆柱实际的直径来确定。斯特劳哈数St的定义为St＝fD/V_∞，其中f是尾涡脱落的频率。

测量步骤：(1)打开电机；(2)并把具有某种超疏水表面的圆柱放到可更换试验段(如超疏水材料与圆柱不是整体，可事先将超疏水材料贴附或喷涂加工在圆柱体表面)；(3)在水流速度稳定后，打开控制电动机的开关；(4)调节电动机使圆柱具有一定的旋转速度；(5)在热膜测试尾流区，设定采样频率为5kHz，采集时间为30s，在此采样时间内测得一系列速度值，通过计算机记录下来；

数据处理：通过电脑对所记录的数据进行傅里叶变换，得到速度功率谱，并分析得出旋涡脱落频率。然后通过高精度的直接数值模拟计算的结果来确定此频率在当前转速下对应的GF值以及对应的有效滑移长度值。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种测量超疏水表面有效滑移长度的装置，其特征在于，包括：第一电机(1)、叶轮(2)、水槽以及旋涡频率测量单元；

叶轮(2)设于水槽中且固定在第一电机(1)的输出轴上，用于提供水流循环动力；水槽包括可更换试验段(8)；

旋涡频率测量单元包括第二电机(9)、旋转圆柱(10)、旋涡测速仪以及处理器；第二电机(9)的输出轴连接旋转圆柱(10)，旋转圆柱(10)位于可更换试验段(3)中，用于在第二电机(9)驱动下旋转，在可更换试验段(3)中产生旋涡；旋涡测速仪用于测量旋涡脱落速度；处理器用于根据旋涡脱落速度求解有效滑移长度；

其中，旋转圆柱(10)为待测超疏水材料制成，或者，旋转圆柱(10)表面具有待测超疏水材料层。

2.如权利要求1所述的一种测量超疏水表面有效滑移长度的装置，其特征在于，水槽为循环水槽，包括从上游向下游串接的扩张段(3)、收缩段(6)以及可更换试验段(8)。

3.如权利要求2所述的一种测量超疏水表面有效滑移长度的装置，其特征在于，扩张段(3)内设有多个导流叶片(4)，多个导流叶片(4)沿水流方向阵列分布。

4.如权利要求3所述的一种测量超疏水表面有效滑移长度的装置，其特征在于，扩张段(3)具有拐角，导流叶片(4)设于拐角处。

5.如权利要求2～4任意一项所述的一种测量超疏水表面有效滑移长度的装置，其特征在于，扩张段(3)中靠近与收缩段(6)连接的位置设有蜂窝器(5)。

6.如权利要求2～4任意一项所述的一种测量超疏水表面有效滑移长度的装置，其特征在于，收缩段(6)与可更换试验段(8)之间设有压力平衡缝(7)。

7.如权利要求1～4任意一项所述的一种测量超疏水表面有效滑移长度的装置，其特征在于，旋涡测速仪为热线风速仪(12)、激光多普勒测速仪或者毕托管。

8.一种测量超疏水表面有效滑移长度的方法，其特征在于，利用已知有效滑移长度的超疏水材料制成旋涡发生器，在水中旋转产生旋涡；测量旋涡脱落速度，经傅里叶变换求出速度功率谱，进而求出旋涡的脱落频率；然后利用数值模拟方式直接获得该脱落频率对应的有效滑移长度值。

9.一种测量超疏水表面有效滑移长度的方法，其特征在于，利用已知有效滑移长度的超疏水材料制成旋涡发生器，在水中旋转产生旋涡；测量旋涡脱落速度，经傅里叶变换求出速度功率谱，进而求出旋涡的脱落频率，从而建立超疏水材料表面的滑移长度与旋涡脱落频率的单调关系；

然后，利用待测超疏水材料制成旋涡发生器，在水中旋转产生旋涡并测量其旋涡脱落频率，根据超疏水材料表面的滑移长度与旋涡脱落频率的单调关系直接获得待测超疏水材料表面的滑移长度。

10.一种测量超疏水表面有效滑移长度的方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)利用具有待测超疏水表面的圆柱在水中旋转产生旋涡；

(2)测量旋涡脱落区的速度；

(3)对测量旋涡脱落区的速度进行傅里叶变换，分析得出旋涡脱落频率；

(4)通过预先的数值计算结果或者已知结果对步骤(3)的旋涡脱落频率进行标定，从而获得待测超疏水表面对应的有效滑移长度值。