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摘要
对超疏水微沟槽和微凸柱面湍流边界层的减阻机理进行了实验研究。使用高时间分辨率粒子图像测速仪(TRPIV),测量了亲水壁面、超疏水微沟槽壁面和超疏水微凸柱壁面湍流边界层内的瞬时速度场,对比分析了3种壁面的壁面摩擦切应力,发现超疏水壁面都产生了减阻效果,但超疏水微沟槽壁面的减阻率(13.8%)要大于超疏水微凸柱壁面(10.2%)。通过对比分析湍流边界层内3种壁面对应的平均速度剖面、湍流脉动强度和雷诺切应力剖面,证实流体在超疏水壁面具有滑移速度,且在15 <y+<100区域的同一法向高度上,亲水壁面、超疏水微沟槽及超疏水微凸柱壁面对应的流向湍流脉动强度依次减弱;同时在30 <y+<80区域的同一法向高度上,超疏水微凸柱壁面、亲水壁面和超疏水微沟槽壁面对应的法向湍流脉动强度依次减弱。在整个法向高度上,亲水壁面、超疏水微凸柱壁面和超疏水微沟槽壁面的雷诺切应力的最大值依次减小。以Λci准则识别出的顺向涡为条件进行条件采样和相位平均,并分别与亲水壁面对比,发现在y+≈63附近,超疏水微沟槽壁面展向涡诱导的第四象限事件幅值减弱,其构成的扫掠事件强度减小,进而实现减阻。为进一步分析湍流脉动能量,使用本征正交分解,将湍流边界层内全场的瞬时脉动速度在时间上和流-法向空间进行求和并进行无量纲化,用来表征流场的脉动程度。结果表明:超疏水微凸柱壁面的展向滑移的增阻特性,削弱了其流向滑移带来的减阻效果。超疏水微沟槽壁面的流向滑移特性能有效地抑制湍流脉动,从而达到更好的减阻效果。
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