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基于格子Boltzmann 方法的液润表面减阻规律

2021-10-27秦声雷侯国祥郭文强周斌斌姜思远

中国舰船研究 2021年5期
关键词:界面设置

秦声雷,侯国祥,郭文强,周斌斌,姜思远

华中科技大学 船舶与海洋工程学院,湖北 武汉 430074

0 引 言

经典的流体力学假设固液边界为无滑移边界条件,即壁面的切向速度恒为零,固液界面不发生滑移。这种假设在宏观上得到验证,并被广泛应用于科学分析和工程应用中。但是有研究表明[1-3]在微尺度流动中,界面上存在滑移现象。吴承伟等[4]对流动边界滑移问题进行了综述,边界滑移现象受诸多因素影响,如表面粗糙度、液体粘性、接触角、速度梯度和温度等[5-8]。格子Boltzmann方法(LBM)基于分子动理学,作为一种介观方法,适用于对微尺度流动的模拟。近年来,黄桥高等[9]应用LBM 的伪势模型[10-11]对超疏水表面减阻特性进行研究,得出表观滑移发生在近壁区低密度层上的结论。王凯等[12]应用LBM,对固液界面滑移现象的影响因素进行了研究,表明滑移长度不显著依赖于剪切率。

传统的减阻理论认为,超疏水表面在水下可以形成气膜层而不与外层液体直接接触,原来的固液接触面变为气液接触面,使得表面承受的剪切应力大大减小,并在气液界面产生滑移速度。任刘珍等[13]综述并总结了超疏水表面减阻所面临的问题——在高剪切速率和高压作用下气液界面会发生失稳,从而导致减阻效果不佳。吕鹏宇等[14]对气液界面的稳定性和演化规律进行了总结。事实上,将微结构中的气体替换为润滑油,可以在保持良好减阻特性的同时,还较大地保证滑移界面的稳定性。Wong 等[15]合成了一种液润多孔表面(SLIPS),发现这种表面能使液滴具有极小的滚动角、可以承受高压和冲击(氮气环境中达到676 atm)、具有良好的自我修复性和光学透明性。……

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