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超疏水表面微通道中滑移流动的实验研究与数值模拟

赵家军  
【摘要】:数百年来,工程实践中普遍认为在固-液界面处发生无滑移流动,即贴近固体壁面处流体与固体壁面是相对静止的。然而,在微细尺度领域,越来越多的实验观测到了固-液界面处滑移流动现象的存在。 本文回顾了滑移的基本概念和类型,对有关滑移流动的实验与理论进行了归纳,概括总结了液体在固体表面(特别是疏水/超疏水表面)上发生滑移的影响因素,全面阐述了目前针对滑移提出的两种物理机制。同时,简要回顾了超疏水表面的基本理论。为下一步制备超疏水表面,进行滑移流动的实验奠定了理论基础。 本文采用化学位错刻蚀后再氟化的方法制备铝基超疏水表面,利用流量-压降法研究水在超疏水表面微通道中的滑移流动。微通道为宽高比在20左右的扁平矩形通道,扁平矩形通道微通道的高分别为0.15mm、0.2mm、0.3mm,实验段长50mm,上表面为有机玻璃板,下表面为所制备的铝基超疏水表面。 在实验研究中,分析了无量纲压降比、滑移速度及滑移长度随雷诺数、微通道几何高度、接触角的变化关系。其它参数不变时,流量增加,即雷诺数增加时,滑移速度增加,无量纲压降比不变;微通道几何高度增加,无量纲压降比减小;滑移长度仅是超疏水表面接触角的函数,不受其它因素影响。在本实验条件下,对于所制备的接触角为157°的铝基超疏水表面,滑移长度为3μm~4μm。 另外,本文对具有规则粗糙结构(凹坑)的超疏水表面形成的微通道内的滑移流动进行了数值求解。建立了二维数学模型,利用VOF法进行求解,并对计算结果进行了系统分析,得到了流量、微通道尺寸、粗糙结构尺寸及浸没深度对滑移流动的影响关系。


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