蝴蝶翅鳞启发的仿生超疏水表面用于水下阻力减小研究

本文档是一篇发表在 ACS Applied Materials & Interfaces 上的原创研究论文，题目为《Effective Underwater Drag Reduction: A Butterfly Wing Scale-Inspired Superhydrophobic Surface》，作者包括 Yangmin Chen、Yue Hu 和 Lu-Wen Zhang，主要来自上海交通大学海洋与土木工程学院。文章于2024年4月正式接受发表，并聚焦于通过设计仿生多层次结构超疏水表面（Superhydrophobic Surface, SHS），以提高水下流体阻力的降低效率及气液界面（Gas−Liquid Interface, GLI）的稳定性，同时揭示这些复杂结构在流动场中的减阻机制。

研究背景与目的

在水下交通工具、管道传输和液滴碰撞等领域，水下流体阻力的减小是一个重要的研究方向。超疏水表面通过诱导气液界面形成，可有效降低附着水层的流体剪切力，从而减少流体阻力。然而，这类表面在流动剪切及高静压力下的气液界面稳定性问题一直是一个技术瓶颈。传统单层次的表面结构（如鱼鳞状或鲨鱼皮纹理）已经实现了多达18%的水下减阻效率，但它们通常难以应对复杂流动条件下的气液界面塌陷问题。

为了克服这一挑战，本文借鉴黑脉蛱蝶(Parantica melaneus)翅鳞的自然层次结构，提出了一种新型仿生设计——蝴蝶翅鳞样表面（Butterfly Wing Scale-Like Surface, BWSLS）。通过对这种层次化结构的设计与加工，研究其在封闭及开放渠道流动下的减阻性能及对应的物理机制，重点探讨气膜稳定性、高效滑移效应及二次涡流在减阻中的协同作用。

研究方法与流程

1. 仿生表面的制备与表征
作者通过结合金属3D打印技术和聚二甲基硅氧烷（Polydimethylsiloxane, PDMS）转印技术，构建了多种基材上的BWSLS，表面由平行的纵向脊和规则的底部孔洞层级结构组成。具体参数包括脊宽200 μm、惹深150 μm，孔洞结构尺寸为400 × 400 × 150 μm。SEM扫描电镜及高度分辨光学显微图像展示了表面的三维形貌。而接触角测试表明，该BWSLS样品的平均接触角达到了158.4°，远超其他传统单纹理表面。

2. 封闭通道流动减阻测试
在封闭通道流动实验中，研究团队设计了一个差压测量系统，通过测定水流在表面通过后的压力差来间接评估流体阻力损耗。实验涉及四类表面样本：BWSLS、传统平滑表面（Smooth Surface, SS）、沟槽表面（Grooved Surface, GS）和孔阵列表面（Cavity-Arrayed Surface, CAS）。所有实验均在中等雷诺数（Re ~ 103）条件下重复三次，测得了不同表面在动态流场中的压力差值。

3. 开放通道流动下的阻力评估
研究还开发了一个循环水流装置，并将PDMS表面覆盖于一个旋转体上进行开放通道测试，用力传感器直接测量旋转体在不同流速下的阻力大小。与封闭通道的研究相似，开放通道实验中涵盖了对比测试的传统表面样本。

4. 微流场测试与数值模拟
为探讨结构表面微流场的减阻机制，研究使用微粒子图像测速技术（Micro-Particle Image Velocimetry, Micro-PIV）直接测量BWSLS表面的近壁流场分布，同时采用COMSOL软件建立了二维泊肃叶流动模型，通过相场法模拟了不同表面气液界面的演化及滑移效应。

5. 气膜稳定性测试
为研究压力条件对BWSLS气液界面稳定性的影响，作者设计了一套可实现循环加载的高压测试系统，观察不同表面在高达0.3 MPa压力下的气膜覆盖率变化。

研究结果

1. BWSLS的优越减阻性能

   • 在封闭通道实验中，BWSLS的最大减阻率高达20.56%，显著优于GS和CAS表面的14%-18%减阻率。
   • 即便在较高雷诺数范围内，BWSLS的减阻效率始终保持，而传统平滑表面在流体剪切力作用下，其表面气膜逐渐丧失，减阻率趋近于零。

2. 开放通道实验验证

   • 在0.15-0.4 m/s的流速范围内，BWSLS的减阻率维持在9%以上，最高减阻率超过15%。相比传统GS和CAS表面，BWSLS减阻性能提升达到3.5%。

3. 滑移效应及二次涡流机制

   • PIV测试表明，BWSLS不仅促进气液界面滑移，还能在表面内部结构诱导显著的“二次涡流”，这些二次涡流在较大程度上部分抵消了主流场的摩擦，类似滚动轴承的作用，显著减少了壁面阻力。
   • 从模型计算来看，BWSLS的滑移速度达58.959 mm/s，超过CAS和GS表面的30%以上，其滑移长度达4.34 μm。

4. 气膜稳定性

   • 在循环加载条件下，BWSLS表面气膜覆盖率始终高于67%，远高于单一结构的GS和CAS。气泡损失后，BWSLS的气膜恢复速率也高达52.5%，再次验证了这种多层次结构能显著提高气液界面的耐压能力。

研究结论与价值

本文通过设计和开发具备层次化结构的BWSLS，成功拓展了超疏水表面的减阻能力及气液界面稳定性，并揭示了其背后的流体力学机制。这一研究的科学意义包括：

1. 学术价值：

   • 提出了减阻与涡流生成之间的全新协同作用机制。
   • 提供了深化仿生设计的理论依据，特别是层次化几何结构的性能优化。

2. 应用价值：

   • 在海洋工程领域，为开发更高效节能的船舶表面涂层材料提供了灵感。
   • 为微流控及管道运输技术中的减阻问题提供了潜在解决方案。

研究亮点与创新

1. 利用蝴蝶翅鳞的启发，开发了一种兼具高气体捕捉能力与气液界面稳定性的仿生超疏水表面。
2. 提出了高效滑移效应与二次涡流协同减阻的全新机制。
3. 实验测试与数值模拟相结合，系统验证了BWSLS在多种实际工况下的优越性能。
4. 在0.3 MPa的高静压力下，展示了其稳定优越的气膜保持能力。

此研究开辟了仿生表面与复杂流动条件下减阻技术的全新方向，为未来海洋工程、微流体力学等领域的研究奠定了理论和实践基础。