研究进展：结构体表面入水气腔构筑机制及摩擦减阻特性研究

近日，我所在结构体入水气腔构筑机制即摩擦减阻特性系列研究取得新进展，相关系列研究工作相关工作以“Underwater Drag Reduction and Buoyancy Enhancement on Biomimetic Antiabrasive Superhydrophobic Coatings”， “Dramatically Reducing Critical Velocity of Air Cavity Generation via Biomimetic Microstructure Effect”，“Water Entry Dynamics of Microstructured Spheres”，“Robust air cavity generation on sacrificial microstructures for sustainable underwater drag reduction”为题在工程技术领域权威期刊和流体力学领域著名期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》、《Nanoscale》、《Physics of fluids》、《Applied Physics Letters》上发表。我院博士研究生王兆长为第一作者、焦云龙副研究员为通讯作者。

研究背景

随着全球能源危机的到来，气腔夹带现象在水下航行体减阻、军事领域以及在防腐领域有着非常广泛的应用，它将物体在流体中运动时的流体阻力从固液接触转化成固-气接触，从而大幅度降低了摩擦阻力，对于提高海洋航行体的能源利用率、降低摩擦损耗有着非常广泛的意义。

研究思路

受在空气中移动的物体受到的阻力（水的动态粘度远远大于空气的动态粘度）比在水中小的多的这一事实的启发，通过在结构体表面构建空气层改变结构体附近的流体密度（空气层缓冲），使的固-液界面转变为固-气界面，从而显著降低壁面摩擦阻力。提出了一种通过微结构球体撞击自由液面来急剧降低产生气腔临界速度的方法。

主要贡献

表面形貌效应能够显著降低结构体入水气腔夹带临界速度。对于亲水性的微结球体，可以将临界速度从7.3 m/s降低到0.99 m/s以下，临界速度降低达86.3%以上，而对于疏水性的微结构球体，可以将临界速度降低到0.89 m/s以下，临界速度降低达59.6%。并且表面形貌效应会对流体边界滑移产生影响，滑移现象导致边界层上的速度梯度减小,从而降低了剪切力,以至于微结构球体能够在水下实现可持续性减阻。

研究意义

分析了典型气腔的生成机制，并结合相应的数值模拟和仿真工作分析了流体沿粗糙壁面流动过程中的线性滑移现象，为微结构表面的水下减阻特性提供了相关理论研究基础。研究将有助于进一步理解表面形貌效应诱导的水下减阻机理，为海洋领域的工程应用(如降低阻力和节省能源)提供一种新的策略。

该项研究得到了国家自然科学基金项目“超疏水微纳结构的飞秒激光可控制刻蚀及水下减阻应用研究”(项目编号：51805508)、“粘弹性体润湿接触界面摩擦形成机制与调控”(项目编号：51875152)、“刀-屑接触界面流体渗入机制及摩擦调控研究”(项目编号：51975174)等项目的资助。

文章链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.1c14342

https://doi.org/10.1039/d2nr02791g

https://doi.org/10.1063/5.0102109

https://doi.org/10.1063/5.0128049

图：入水气腔临界夹带速度及减阻特性