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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。因此，减少阻力是海洋运输业面临的重大挑战之一。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。鉴于此，合肥工业大学刘焜教授团队的焦云龙副研究员和博士研究生王兆长开展了考虑表面形貌效应的结构体入水气腔构筑机制及运动特性研究。相关系列研究工作发表在工程技术和流体力学领域著名期刊《Nanoscale》、《Physics of fluids》上。

【微结构诱导接触线钉扎降低气腔产生的临界速度】

受到龙虱体表结构的启发，研究学者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。当亲水球和疏水球穿过自由液面，并没有气腔夹带，仅在自由液面上方观察到垂直射流。反而微结构球在撞击自由液面后有明显的气腔夹带，主要由微结构球体在入水过程中排开周围的水引起的，对水下减阻至关重要。由于微结构在撞击过程中能够产生气腔，因此我们探究了微结构球体产生气腔的临界速度，在不改变润湿性的条件下，可以在微结构球体表面诱导产生减阻气腔。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%以上。

图1微结构制备方法及降低气腔生成临界速度特性

【微结构诱导水下气腔生成的物理学机制】

随着液膜不断地上升，由于粘性耗散作用使得三相接触线移动地速度降低。但此时亲水球体接触线的速度明显比结构球体地要快。亲水球体的移动接触线速度始终高于下落球体的速度，于是液膜在球体的极点处闭合。而结构球体开始接触线速度明显高于下落球体，沿着球体表面爬升，运动方向与球体的运动方向相反，随着时间的推移，液膜由于粘性耗散的作用从球体上获得的动能逐渐降低以至于不能够继续使其继续向上运动。然后三相接触线的运动方向发生改变，跟随球体一起向下运动，最终钉扎在球体赤道略偏下的位置。从局部放大图来看，能够清晰的看出锯齿形的接触线，这是典型的接触线失稳状态（润湿失效）。然而接触线钉扎在球体表面会发生较大的屈曲和变形。此时特征曲率压力将超过具有动态和静水压成分的浸渍压力，则将空气截留在微结构内，从而使得表面微观接触角增大。因此，球体在撞击过程中可能存在一个混合状态，即Wenzel状态在球体底部和Cassie-Baxter状态在液膜从表面分离处。

图2微结构球体表面液膜铺展过程观测

【微结构球体入水后气腔形态及动力学特性研究】

我们探讨了微结构球体直径和撞击速度对气腔夹带的影响以及入水的动力学特性。从图3中可以发现,对于不同直径的微结构球体在不同高度释放时,均能产生完整的气腔。对于相同直径的微结构球体,入水产生的气腔长度随着高度释放的增加而逐渐增加,意味着气腔的体积也是逐渐增加,形成较大的气腔体积非常有利于水下减阻。而对于相同释放高度下的不同直径的微结构球体,直径越大的微结构球体,入水产生的气腔的长度和体积会更大,并且夹断位置也更深,同时直径较大的球体运动更快。当气腔发生夹断后会分割成两个气腔。而对于释放高度越高的微结构球体,跟随球体下落的气腔长度和体积就越大,越有利于水下形成稳定的流线型气腔。

图3初始撞击速度和球体直径对气腔形态的影响

我们进一步研究了球体直径和撞击速度对球体运动特性和水下减阻效果的影响。当初始撞击速度较大时，球体在水中的运动速度较快，而且随着时间的下降，球体位移的差异越来越明显。这主要是因为随着初始撞击速度的增加，由微结构诱导产生的气腔趋向于更长、更稳定的流线型，从而促成了不同初始撞击速度下的不同减阻效果。此外，移动速度随下降时间的变化表明，对于直径较小的球体，在初始入水过程中，速度的变化更为明显。随着球体的继续下降,后续的球体轨迹差异才变得原来越明显，含气腔的微结构球体明显比原始球体(不含气腔)的位移要快。微结构球体之所以相比原始球体运动的快,是因为原始球体完全浸没在水中没有形成气腔,使得球体的阻力大于含有气腔的微结构球体。微结构球腔表面的低阻力主要是因为气腔将固液表面的无滑移边界条件转变成了气液界面的自由滑移边界条件。此外,进一步比较了亲水球体和微结构球体的运动速度,有气腔夹带的微结构球体速度明显比原始球体变化的要缓慢,而且微结构在水下运动的终端速度也明显比原始球体快。这进一步表明微结构球体在水下能够实现一定的减阻效果。

图4微织构球体的水下减阻特性

利用COMSOL模拟了微结构的边界滑移。当流体流过原始表面的时候,由于液固界面之间的摩擦阻力使得靠近固体表面上的流速最低,使其与之相邻的流体层将以固体的速度移动。而当流体流体微结构表面的时候,由于微结构内能够截留一定的空气,从而使与流体间形成的固液气界面代替了自由界面,在微结构表面产生了壁面滑移,使得流动摩擦阻力降低。由于受收到各种因素的影响,液体会浸入微结构,表面的气液界面会变得弯曲,我们进一步研究了气液界面下垂条件下的减阻效果。从表面的流速分布图以及剖面流速图可以看出,由于气液界面的存在依旧在产生边界滑移,降低流动摩擦阻力,但是在距离表面2.4 μm处的流体速度降至1.6 m/s。意味着随着流体浸入微结构时,气液界面下垂,减阻效果降低。最终液体完全浸入微结构表面,呈现Wenzel态,将不会实现减阻。

图5粗糙壁面流体边界滑移模拟仿真

【润湿性区域及冲击角度对水下气腔形态的影响】

当球体的表面润湿性不对称时，入水后将产生相对复杂的非对称入水现象。从图6中可以看出亲水球入水后液体将其完全包裹密封，没有气体进入，只产生垂直射流；当半亲水-半疏水球亲水面垂直向下释放时，液体先沿着亲水表面爬升，到球体赤道处时接触到超疏水区域，发生固液分离，形成垂直飞溅，之后飞溅液膜迅速收缩，有少量气体进入，气腔没有发生扩张；当半亲水-半疏水球中间位置释放时，亲水半球一直被液体包裹，超疏水半球排开周围液体形成入水空泡，液体沿亲水半球汇聚到球体顶点后，形成尖锐的楔形流，楔形流继续横向运动将入水空泡切开两半，形成不对称入水空泡以及心形飞溅；当半亲水-半疏水球亲水面垂直向上释放时，液体被超疏水区域排开形成皇冠状飞溅以及圆周对称的入水空泡。

图6 考虑润湿性区域大小和冲击角度的水下偏转气腔生成及调控研究

我们进一步分析了超疏水面朝上（即α=0°）与超疏水面朝下（即α=180°）时，不同润湿性区域小球入水后所形成的气腔形态变化。我们将小球入水后的气腔形态分为4种：完全无空泡、过渡状态入水空泡、深闭合入水空泡、面闭合入水空泡。可以看出当润湿性区域小于1/2时，入水空泡只有两种形态，完全无空泡和过渡状态入水空泡，随着润湿性区域逐渐增大，小球入水后产生过渡状态入水空泡所需的初速度越低，且入水空泡由深闭合向面闭合的转变过程中所需的入水速度越大。

图8 冲击速度和超疏水区域大小对典型气腔形成的影响：无气腔，过渡气腔；深闭合气腔，面闭合气腔

【总结】

本课题通过在球体表面构筑一种表面微观粗糙结构，使得球体入水后在固液接触面上形成三相接触线的钉扎，从而诱导固体外表面形成气腔夹带，并实现水下减阻。相较于传统的超疏水涂层、莱斯效应以及超空泡等气腔构筑技术，表面粗糙微结构可以长时间稳定的生成水下气腔，并且不受到球体表面润湿性控制，即使是在亲水固体表面依然可以在较低的冲击速度下产生气腔，极大降低水下气腔生成的临界速度。此外通过进一步调控球体表面润湿性区域大小以及球体入水冲击角度，详细探究了微结构球体入水后的流体动力学特性，分析了典型气腔的生成与调控机制，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。

相关文章与链接：
1.Nanoscale, 2022, 14(31): 11218-11226.
https://pubs.rsc.org/en/content/articlepdf/2022/nr/d2nr02791g
2.Physics of Fluids, 2022, 34(8): 082106.
https://aip.scitation.org/doi/full/10.1063/5.0102109
3.Physics of Fluids, 2022, DOI: 10.1063/5.0111025
https://aip.scitation.org/doi/abs/10.1063/5.0111025

来源：高分子科学前沿

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