利用超疏水表面Leidenfrost现象实现可持续的湍流减阻

We propose a new approach to achieve sustained drag reduction in a turbulent flow by leveraging the slip flow on superhydrophobic surfaces and the stable vapor layer generated by Leidenfrost phenomenon. We will utilize combined approaches based on experimental and computational fluid dynamics to establish a research frame work for Leidenfrost superhydrophobic surfaces in turbulence flows. The main tasks include the development of hierarchical and heterogeneous superhydrophobic surfaces using scalable and low-cost manufacturing methods; investigation of nucleation and formation of vapor layers on the developed superhydrophobic surfaces under relatively low boiling points; the characterization of the slip flow and friction drag on the developed superhydrophobic surfaces in turbulent flows using our novel drag measurement system in a water tunnel. This fundamental study will provide more quantitative predication of the flow in the turbulent boundary layer on a nano/microstructured surface with different wettability and in the phase change mode, and offer better control of the flow structures and thermal conditions. The broader potential of this effort is to harness these fundamental mechanisms to develop novel materials with proper hydrodynamic and thermal control methods for sustained drag reduction.

本项目致力于通过结合超疏水表面技术和Leidenfrost现象来探索一种可持续湍流减阻的新方法。我们将以实验为基础结合分子动力学模型来建立超疏水表面在湍流边界层中加热汽化条件下的动力学研究框架。主要任务包括制备具有多尺度结构或润湿性异质模式的超疏水表面；研究相对低沸点下的超疏水表面的沸腾汽化的传热条件；测量由相变传热产生的气泡或气膜在超疏水表面上引起的减阻，并探索减阻与湍流边界层内流场结构变化的联系。这项基础研究将对具有不同润湿性和相变模式的微纳米结构化表面上的湍流边界层中的流动提供更多定量预测，并提供控制热流条件的信息。研究在超疏水表面上的流体力学和传热机理将指导我们开发新型材料以实现可持续的湍流减阻。由于产生Leidenfrost现象所需要的热量可以通过回收船舶和水下航行体的引擎废热来提供，本项目所探索的新型减阻方法不仅具有很高的学术价值，也具有很好的应用前景。

本项目致力于通过结合超疏水表面技术和Leidenfrost现象来探索湍流减阻的可持续性。我们主要完成了制备具有多尺度结构或润湿性异质模式的超疏水表面；研究相对低沸点下的超疏水表面的沸腾汽化的传热条件；测量由相变传热产生的气泡或气膜在超疏水表面上引起的减阻，并探索减阻与湍流边界层内流场结构变化的联系。使用专用的高分辨率力测量系统在水道中测量了雷诺数范围为 1e5 至 1e6 的湍流边界层中这些超疏水表面上的摩擦阻力的减少。近壁速度场是用粒子图像测速系统测量的。结果表明，无论雷诺数如何，如果能够形成均匀的空气膜，超疏水表面可以实现显着的减阻。然而，我们也观察到，随着时间的推移，气泡开始形成并聚集在后缘，并逐渐破坏气膜的均匀性。当形成不均匀的气膜时，减阻效果较小。在我们的实验中系统地研究了航空公司的这种演变。此外，还进行了高保真计算流体动力学模拟，以提供有关超疏水表面所经历的摩擦阻力的更详细信息。这项工作的更广泛潜力是利用这些基本机制开发具有适当流体动力学和热控制方法的新型材料，以实现持续减阻。本项目所探索的新型减阻方法不仅具有很高的学术价值，也具有很好的应用前景。