微納二級(jí)結(jié)構(gòu)超疏水表面湍流減阻機(jī)理的TRPIV實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、本文采用高時(shí)間分辨率粒子圖像測(cè)速系統(tǒng)(TRPIV)，在低速循環(huán)式水槽中，對(duì)微-納二級(jí)結(jié)構(gòu)超疏水壁面湍流邊界層相干結(jié)構(gòu)控制及超疏水壁面的湍流邊界層減阻機(jī)理進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。
　　首先使用單個(gè)高速相機(jī)和高頻脈沖激光片光源組成的TRPIV系統(tǒng)，在低速循環(huán)式水槽中，以高時(shí)間分辨率,在三個(gè)不同流速（雷諾數(shù)）下，分別測(cè)量普通光滑壁面和微-納二級(jí)結(jié)構(gòu)超疏水壁面零壓力梯度平板湍流邊界層瞬時(shí)流向-法向速度場(chǎng)的時(shí)間序列，并在每個(gè)流速（雷諾數(shù)）下獲得兩組共

2、13092個(gè)瞬時(shí)速度矢量場(chǎng)時(shí)間序列樣本。
　　然后對(duì)每個(gè)流速（雷諾數(shù)）的二維瞬時(shí)速度場(chǎng)進(jìn)行時(shí)間平均，分別得到每個(gè)流速（雷諾數(shù)）的普通光滑壁面和超疏水壁面湍流邊界層平均速度空間分布云圖；然后再對(duì)平均速度空間分布云圖進(jìn)行流向空間平均，分別得到每個(gè)流速（雷諾數(shù)）的普通光滑壁面和超疏水壁面湍流邊界層無(wú)量綱平均速度剖面；然后以平均速度剖面中的壁面摩擦速度作為未知參數(shù)，用牛頓迭代法，擬合出普通光滑壁面和超疏水壁面湍流邊界層平均速度剖面的壁面摩

3、擦速度，并由此計(jì)算壁面摩擦系數(shù)、壁面摩擦切應(yīng)力等粘性內(nèi)尺度參數(shù)，分析超疏水材料表面湍流邊界層的減阻率。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，超疏水壁面增加了對(duì)數(shù)律區(qū)以下區(qū)域的平均流速。利用壁面摩擦系數(shù)得到超疏水壁面減阻率，并在低雷諾數(shù)下證實(shí)超疏水壁面獲得了10.58％的減阻效果。對(duì)比三組不同雷諾數(shù)發(fā)現(xiàn)，隨著雷諾數(shù)的增大，減阻率逐漸降低。
　　將湍流多尺度相干結(jié)構(gòu)的理論引入超疏水壁面湍流邊界層減阻機(jī)理的研究。對(duì)三個(gè)不同雷諾數(shù)下普通光滑壁面和超疏水壁面湍流邊

4、界層瞬時(shí)流向脈動(dòng)速度場(chǎng)進(jìn)行空間多尺度分解，分解為不同空間尺度的局部平均速度結(jié)構(gòu)函數(shù)，以瞬時(shí)流向脈動(dòng)速度的空間局部平均結(jié)構(gòu)函數(shù)作為特征量，以瞬時(shí)流向脈動(dòng)速度的空間局部平均結(jié)構(gòu)函數(shù)過(guò)零點(diǎn)作為檢測(cè)準(zhǔn)則，結(jié)合新象限分裂法，檢測(cè)并提取了超疏水壁面及光滑壁面湍流邊界層不同法向位置處的相干結(jié)構(gòu)在噴射和掃掠過(guò)程中流向脈動(dòng)速度、法向脈動(dòng)速度、展向渦量等物理特征的空間拓?fù)湫螒B(tài)。從壁湍流相干結(jié)構(gòu)猝發(fā)控制的角度，分析了微-納二級(jí)結(jié)構(gòu)超疏水壁面湍流邊界層的減阻機(jī)