麻省理工团队发现：聚合物和超疏水壁双管齐下可实现湍流减阻新突破
麻省理工团队发现：聚合物和超疏水壁双管齐下可实现湍流减阻新突破
麻省理工学院Gareth H. McKinley教授团队在湍流减阻领域取得重要突破。研究发现，聚合物添加剂和超疏水壁这两种方法可以很好地结合起来，在壁面有界湍流中产生更高水平的摩擦减阻。
壁面湍流广泛应用于现代工业，从管道内部液体流动到船舶和潜艇壳体周围的外部边界层流动。因此，减少湍流的摩擦损失能带来重大的经济和环境效益。近年来，通过引入溶解聚合物链或超疏水纹理，对湍流动力进行系统性修改从而实现减阻是热门的研究领域与应用市场。在各种湍流结构中，合成高聚物和天然高聚物已广泛用作减阻剂，溶解的聚合物链能改变近壁流动动力学并破坏边界层中湍流的产生；覆盖固体表面的超疏水纹理也成为壁面水流减阻的可行方法，支持超疏水表面的材料能使流体与固体边界的湿接触减少，有效地降低高达50%的湍流阻力。
研究团队制备了超疏水TC转子，周期性的流线槽阵列，并将减阻聚合物 (聚丙烯酰胺) 添加到微沟槽中，对泰勒-库伊特湍流中的摩擦阻力进行了实验测量，最终推导了一个加性表达式来定量估计这种组合的减阻效果。
实验过程及结果
根据间隙内的工作流体 (即水或聚合物溶液) 和转子表面的流动条件 (防滑转子或超疏水转子)，实验结果如表1所示：
表1. 不同转子下水和聚合物溶液作用的实验结果
图1. (a) 聚丙烯酰胺水溶液中防滑转子的减阻曲线；(b) 超疏水沟槽结构; (c) 超疏水转子表面上的水滴；(d) 在去离子、空气饱和水中对槽形超疏水转子进行的阻力测量；(e) 雷诺数Ret>800的曲线。
研究团队继续在不同浓度的PAM溶液中对超疏水转子进行了阻力测量，图2的曲线表明聚合物添加剂和超疏水转子相结合对减阻的增强作用更加明显。
图2. 不同浓度的聚合物溶液+超疏水转子的阻力测量。
结论与研究前沿
聚合物和超疏水减阻分别是由大分子溶解和界面滑移引起的近壁复杂变化，因此可以通过数值测算的方法预测他们共同作用的效果。研究团队设想了一个简单的双层模型 (图3)，假设：(1) 存在粘弹性效应，主要作用于缓冲层和缓冲层以外，在很大程度上不受壁面滑移的影响；(2) 流向管壁的平均动量通量 (即摩擦剪应力) 构成了粘性子层和外流之间信息交换的主要模式。从而获得了以下复合摩擦加性表达式：
该公式通过以壁面单位表示的相应速度增量的线性相加来表示两个减阻方式的平行作用。
图3. 用于联合减阻的附加双层模型的示意图。
在图2中，实心曲线与加性表达式的理想估计值数据一致，特别是在中等雷诺数 (Res<30000) 下，但实际的减阻水平略小于从双层模型所得到的结果。显而易见，加性定律可以很好地估计在稀溶液中可以达到的减摩效果，但随着聚合物浓度的增加，加性定律稍微高估了综合效应。这表明两种减阻机制之间的“非线性”相互作用起到了一部分抵消而不是加强的作用，因此，复合摩擦加性表达式能表示的是组合减阻水平的上限。
最后，研究团队认为他们所采用的实验设备 (流线型槽阵列并带有规则的图案纹理) 制造成本过高，不具有可扩展性，并不能适用于大规模工程应用中，也因此，研究团队认为不规则可伸缩的纹理表面仍需要进一步的研究。此外，许多常见的减阻聚合物 (包括PEO) 会降低水溶液的表面张力，使用它们会产生界面效应，对壁面的整体滑移产生不利影响，这一点也应该考虑在未来的研究中。