面内纤维取向对浸没式疏水纤维涂层中气-水界面稳定性和潜在减阻效果的影响

《International Journal of Multiphase Flow》：Influence of in-plane fiber orientation on air–water interface stability and potential drag reduction in submerged hydrophobic fibrous coatings

　　•纤维取向控制水下纤维涂层中气液界面的稳定性。
•较大的取向角增强了预测的流体动力滑移，但降低了临界压力。
•较高的接触角同时改善了界面稳定性和流体动力滑移。
•模拟的临界润湿压力与实验测量结果吻合良好。

引言
超疏水（SHP）表面在水下截留空气层，因其能够减少水下流动中的表面摩擦并控制微流体系统中的传输，已引起广泛关注（Reyssat and Quere, 2009, Bucher et al., 2015, Rodriguez-Broadbent and Crowdy, 2023）。近年来，对超疏水表面的设计和制造进行了广泛研究（Salvadori et al., 2010, Guo et al., 2011, Samaha and Gad-el Hak, 2021, Yao et al., 2022, Ning et al., 2024, Chen et al., 2026）。

一般来说，固体表面的润湿性由其形貌（几何结构）和表面化学共同决定（Zhang et al., 2022, Savoy and Escobedo, 2012）。近年来，已有不同的方法被提出用于调控疏水表面的几何结构，以增强减阻效果。粗糙的疏水表面可以在其孔隙中截留空气（Rothstein, 2010, Fan et al., 2025），从而减少液固接触面积，降低表面与周围水之间的摩擦（Liravi et al., 2020）。因此，量化超疏水表面减阻效益与其几何特性之间的关系仍然具有重要意义。

在利用超疏水表面减阻的背景下，流体动力性能通常用滑移长度 λ 来表征（Zhang et al., 2022, Wu et al., 2014, Zhang et al., 2025）。滑移长度通过表示切向速度分量消失时从壁面外推的距离，来量化表观界面滑移（Srinivasan et al., 2013, Sbragaglia and Prosperetti, 2007）。滑移长度 λ=0 对应于满足无滑移边界条件的固体表面，而 λ>0 则表示表观滑移和降低的表面摩擦，这在超疏水表面上普遍观察得到（Bocquet and Charlaix, 2010, Teo and Khoo, 2010）。数值和实验方法已被广泛用于研究工程表面及相关系统中的流动和减阻性能（Teo and Khoo, 2010, Cheng et al., 2009, Rastegari and Akhavan, 2018, Su et al., 2025）。超疏水表面的有效滑移长度已在多项解析研究（Crowdy, 2010, Teo and Khoo, 2009, Ng and Wang, 2011, Davis and Lauga, 2010）、数值研究（Teo and Khoo, 2010, Cheng et al., 2009, Haase et al., 2013, Rastegari and Akhavan, 2018）和实验研究（Zhang et al., 2022, Hazlett, 1990, Byun et al., 2008, Tsai et al., 2009, Landel et al., 2020）中报道。

本研究系统地探究了水下疏水纤维涂层的微观结构如何同时控制截留气液界面（AWI）的稳定性和涂层的流体动力减阻性能。虽然许多先前的研究分别考察了气液界面的稳定性（Emami et al., 2012, Giacomello et al., 2012, Zhu et al., 2023）或超疏水纹理上的有效滑移（Zhang et al., 2025, Srinivasan et al., 2013, Teo and Khoo, 2010），但实际应用需要同时考虑两个耦合的量：（i）Cassie（截留空气）状态崩塌为Wenzel（完全润湿）状态时的压力（称为临界压力）（Bucher et al., 2015），以及（ii）量化流动液体中表面摩擦减少的有效滑移长度。本研究通过结合三维气液界面形状计算和流体动力学模拟，并对临界压力预测进行实验验证，来弥补这一空白，量化多层取向纤维涂层的几何和化学参数如何影响这两个耦合的性能指标。

具体而言，本研究旨在回答以下问题：
•相邻层之间的面内纤维取向（由取向角 γ 表征）如何影响气液界面形貌、在静水压力下气液界面接触的纤维层数，以及发生灾难性润湿时的临界压力 pcr？
•纤维直径 d 和杨-拉普拉斯接触角（YLCA）θ 如何影响气液界面的稳定性和涂层上库埃特剪切流动的有效滑移长度 λ？
•对于给定的固体体积分数（SVF）和层状金刚石晶格纤维排列，压力、润湿固体面积分数 Aw、气液界面曲率与形貌以及由此产生的滑移长度之间存在怎样的定量关系？
•在最大化滑移（减阻）与在静水载荷下保持气液界面稳定性之间存在哪些权衡？

为了回答这些问题，我们采用了一种与后文分析一致的两阶段方法。首先，使用带有定制面积和体积项的Surface Evolver（SE）软件，在包含最多四层平行纤维层的周期性单元胞内，在给定的 γ、d、SVF 和 θ 下，计算在递增的静水压力 p 下平衡的气液界面形状和润湿面积。由SE得到的气液界面几何形状提供了压力相关的润湿面积分数 Aw，并确定了发生界面合并和灾难性润湿的临界压力 pcr。其次，将三维气液界面几何形状导入ANSYS Fluent中，求解不可压缩Navier–Stokes方程，模拟纹理表面上的库埃特流动，采用剪切应力比公式计算有效滑移长度 λ。对SE（使用网格密度 d/c）和Fluent（使用纤维周长上的单元数 κ）进行了网格和收敛性敏感性研究，以确保 pcr 和 λ 的数值稳健性。最后，使用3D打印的多层纤维样品，并喷涂疏水涂层（在平坦表面上测得YLCA≈120°），进行有针对性的实验，以验证SE计算的临界压力。然后对实验和数值的 pcr 值进行定量比较。

本研究的范围界定如下，以保持建模与测量之间的一致性。纤维层被视为刚性平行圆柱体，排列成菱形周期性单元胞。在气液界面稳定性分析中，仅考虑毛细力和静水压力；动态气体交换、表面活性剂效应或蒸发不包括在内。流动液体建模为室温下恒定粘度的牛顿水。用于滑移长度计算的库埃特流动配置假设为稳态层流，上壁以固定速度驱动。这些简化使得能够集中探索几何和界面化学效应（γ, d, θ, SVF），同时确保与第2-5节中呈现的SE和Fluent分析直接对应。

章节片段

气液界面模拟与临界压力
Emami et al.（2012）报道，由正交排列纤维构成的微加工超疏水表面上形成的气液界面比随机分布纤维的相似表面上形成的更稳定。他们表明，随机纤维分布可能在纤维之间产生更大的孔隙（见图1），这可能降低在施加压力下气液界面的稳定性（Bucher et al., 2015, Srinivasan et al., 2013, Giacomello et al., 2012）。

在本研究中，我们考虑面内

临界压力实验
进行了一组实验以验证SE模拟预测的临界压力。在这些实验中，使用3D打印制造了三种不同的纤维结构。这些结构喷涂了商业可用的疏水涂层，在平坦表面上产生约120°的平均YLCA。设计并构建了一个定制的实验装置，由充满水的圆柱形容器组成，用于临界压力测量。

滑移长度计算
如前所述，滑移长度通常用作量化涂层减阻性能的指标。它表示在纤维顶部以下切向速度消失时的外推距离，如图6a所示。对于本模拟，假定从SE计算得到的气液界面几何形状在流动计算期间保持固定。因此，流动域由单个周期性单元内的液体区域组成。

临界压力
图7显示了在恒定压力4.2 kPa下，不同纤维取向涂层上气液界面的俯视图，该压力对应于 γ=75° 涂层的临界压力。在此压力下，对于图7a–c所示的排列，当 γ≤30° 时，气液界面仅接触三层纤维。然而，对于图7d–f所示的排列，当 γ≥45° 时，气液界面更深地渗透到孔隙空间中，并接触所有四层纤维。气液界面进一步渗透到涂层中并润湿一个

结论
本研究考察了面内纤维取向、微观结构和界面润湿性如何控制层状疏水纤维涂层中气液界面（AWI）的稳定性和流体动力滑移。通过结合三维Surface Evolver计算、ANSYS Fluent中的Navier–Stokes库埃特流动模拟，以及使用3D打印多层样品的针对性实验，我们量化了静水压力 p、润湿面积分数 Aw、气液界面形貌、

资金声明
作者未获得本工作的具体资助。

利益冲突声明
作者声明，他们已知没有可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

Noor M. Farhan|Ahmed A. Hemeda|Nishant Bhatta