微结构超疏水壁面湍流边界层减阻机理的TR-PIV实验研究
文章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(TR-PIV)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2种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%)大于超疏水微凸柱壁面(10.2%)。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,发现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、超疏水微沟槽和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最大雷诺切应力依次减小。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,进而使阻力减小。为进一步分析湍流脉动能量,使用本征正交分解,对湍流边界层内全场的瞬时脉动速度在时间和流-法向空间上求和并进行无量纲化,以表征流场的脉动程度。结果表明:超疏水微凸柱壁面展向滑移的增阻特性削弱了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抑制湍流脉动,从而达到更好的减阻效果。
实验流体力学
2025年02期
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