水平通道流动中多片疏水条带对气泡横流输运的实验研究

《Experimental Thermal and Fluid Science》：Experimental investigation of cross-flow transport of air bubbles by multiple hydrophobic strips in horizontal channel flows

　　

摘要

在本研究中，我们利用亲水表面上的疏水条，研究了毫米级空气气泡在水平通道流中的横向输运。测试了具有一条、两条或三条疏水条（总面积相等）且相对于流向倾斜15°的构型，通道雷诺数范围为Re = 3000 ? 8000，韦伯数范围为We = 5 ? 25。疏水条下游边缘处的接触角滞后产生了一种粘附力，抑制了气泡的脱离。因此，三条疏水条的构型实现了最大的横向气泡输运。我们还研究了在Re = 5000和We = 11条件下使用三条疏水条进行气泡输运所引起的流动变化。靠近上壁面的液体沿每个输运气泡的上游界面流向通道中心，而在每个气泡的紧邻下游，液体则流向壁面。此外，输运气泡的壁法向振荡增强了通道中心附近液相的流向和壁法向湍流强度。

引言

提高海洋船舶能效的关键因素之一是减少船体与周围海水之间的摩擦阻力，这对于大型船舶（如油轮）而言可占总阻力的70 ? 80%。在各种减少摩擦阻力的技术中，空气润滑长期被视为一种有前景的技术。根据Cecio [1] 和Murai [2] 的综述文章，空气润滑可大致分为三类：气泡减阻（BDR）、气体层减阻（GLDR）和气体空腔减阻（GCDR）。

在BDR中，空气气泡被注入靠近船体表面的位置，从而衰减下游的壁面湍流。BDR的物理机制已由多个研究组在水平湍流通道流中通过实验和数值方法进行了研究 [3], [4], [5], [6]。BDR也已应用于拖曳模型和训练船舶，以研究其对减阻和能效的影响。Park等 [7] 报告了使用4米长的平底模型船在平均含气率4.2%、速度3 m/s的条件下，在拖曳水池实验中实现了船体中部最大30%的减阻率。此外，Nagamatsu等 [8] 表明，使用116米长的训练船进行的实验在考虑克服气泡注入位置静水压力的能量后，实现了3%的总减阻率和2%的净节电率。Kumagai等 [9] 还通过注入小气泡在多种真实船舶上实现了节油。尽管能效有所提高，但BDR仍受限于两个关键问题：(1) 靠近壁面注入的气泡在向下游移动的过程中逐渐远离表面 [10]；(2) 注入的气泡可能会干扰船舶的螺旋桨 [11]。这两个问题都可能减少净节电率，因此需要加以解决。

控制沿船底移动的气泡分布的一个有前景的方法是有意识地利用壁面润湿性。在之前的研究中，Yu等 [12] 利用具有倾斜几何形状的超疏水螺旋结构实现了方向性的水下气泡输运。同样地，Song等 [13] 利用由外部水下超气疏区域和内部水下超气亲区域组成的串联楔形润湿图案实现了无泵远距离水下气泡输运。此外，Jafari等 [14] 研究了毫米级空气气泡在超气疏背景上放置的微凸超气亲轨道上的铺展行为。这些研究证明了混合润湿表面在静止条件下用于气泡输运的有效性。

这些理念已被拓展到存在环境流动条件下的气泡输运。例如，Yan等 [15] 开发了一种串联最速降线形状的超疏水图案来捕获水下空气气泡，并证明与其他气泡输运方法相比，平均气泡输运速度更高。此外，Lin等 [16] 报告称，即使流动速度高于前项研究且壁面相对于水平面倾斜，也可使用类似技术捕获运动中的气泡。相比之下，我们研究了在亲水表面上使用相对于流向倾斜的疏水条进行横向气泡输运，并评估了通道 Reynolds 数和疏水条角度对横向气泡输运特性的影响 [17]。我们发现横向气泡输运性能随 Reynolds 数和疏水条角度的减小而改善。然而，横向气泡输运对流动结构的影响尚未得到充分阐明，尽管理解这些影响对于明确BDR中的整体减阻机理至关重要。

在本研究中，我们利用亲水表面上的多条疏水条，对水平通道流中空气气泡的横向输运进行了可视化和测量，并在比前项研究更宽的通道 Reynolds 数和韦伯数范围内研究了输运特性。我们还采用粒子追踪测速仪进行两相速度测量，以考察横向气泡输运对流动结构的影响。

章节摘要

实验装置

实验装置示意图如图1所示。该装置由上游腔室、矩形水平通道、三个蠕动泵、气泡注射器、试验板、下游腔室、不锈钢冷却线圈、低温恒温槽、两个磁力泵和两个流量计组成。水平通道的宽度w = 100 mm，高度为35.8 mm，入口段长度为1500 mm，试验段长度为1500 mm。一块25.3 mm厚的

气泡直径、速度和分布测量系统

用于测量气泡直径、速度和分布的系统示意图如图3所示。该系统包括一台分辨率为1024 × 1024像素的单色高速相机和两个白色发光二极管（LED）光源，放置在水平通道下方以捕获气泡图像。图像分辨率设置为1024 × 512像素，测量在x–z平面进行。

为估算气泡尺寸和速度，气泡图像

初步实验

基于空气中液滴和水中气泡的平均接触角，评估了经沸水处理铝板表面和PTFE条的表面润湿性。使用θ/2方法 [23] 对3 μL液滴和5 μL气泡估算接触角。各表面的平均液滴接触角θ_D和平均气泡接触角θ_B如图5所示，同时还给出了液滴和气泡的典型图像。由图5可知，θ_D

气泡直径和速度

Reynolds数Re与HPI表面上气泡平均直径d_B之间的关系如图6所示，测量位置分别为x = 10 mm（气泡注入位置的紧邻下游）和x = 500 mm（即第一条HPO条上游边缘位置）。对于所有Re值，x = 500 mm处的d_B均大于x = 10 mm处的d_B。这种增加归因于气泡在向下游移动过程中的聚并。此外，d_B随Re的增加而减小。这种减小

总结与结论

在本研究中，我们通过在亲水（HPI）表面上使用一条、两条或三条疏水（HPO）条（总面积相等），相对于流向倾斜15°，在通道 Reynolds 数Re = 3000 ? 8000和韦伯数We = 4.7 ? 24.9范围内，实验研究了水平通道流中毫米级空气气泡的横向输运。当气泡沿HPO条的下游边缘（即HPO/HPI边界）输运时，强烈的粘附力

CRediT作者贡献声明

Atsuhide Kitagawa：撰写 – 审阅与编辑，撰写 – 原稿，可视化，验证，项目管理，方法论，调查，形式化分析，数据整理，概念化。Petr Denissenko：撰写 – 审阅与编辑，可视化，方法论，数据整理，概念化。

利益冲突声明

作者声明没有已知的竞争性经济利益或个人关系可能会影响本论文中报告的工作。

致谢

作者感谢京都理工学院K. Sato先生和Iwashita S.女士在数据收集方面提供的协助。

Atsuhide Kitagawa|Petr Denissenko

日本京都府京都市左京区松崎号祝町工业大学机械工程系 邮编606-8585