Течение в каналах с микро-и нанорельефом

Лекция 5..Течение в каналах с микро-и нанорельефом

В настоящее время известны следующие методы снижения гидравлического сопротивления:

- изменение свойств жидкости (например, путем введения в нее полимерных добавок),

-изменение рельефа поверхности (рис.25) .

С

Рис.25. Различные виды рельефа поверхности

А – жидкость проникает в пространство между выступами на поверхности

Б - жидкость не проникает в пространство между выступами на поверхности

С – фотография листа лотоса

Капли скатываются с листа лотоса при крайне малом угле наклона вследствие того, что  его поверхность имеет микро- и нанорельеф и  покрытие..

 При течении воды в канале с поверхностью с ультра малой шероховатостью двойной кривизны (рис.26) получено снижение гидравлического сопротивления. Такая поверхность была изготовлена с использованием литографии и ионного травления и имела покрытие.

Рис 26. Фотография поверхности с ультра малой шероховатостью двойной кривизны

На рис. 27 показана зависимость коэффициента гидравлического сопротивления от числа Re для гладкой поверхности и поверхности с микрошероховатостью двойной кривизны без покрытия и с покрытием. Коэффициент гидравлического сопротивления в трубах с шероховатостью двойной кривизны и покрытием ниже, чем в гладких трубах.

Рис. 27. Зависимость коэффициента гидравлического сопротивления от числа Re для гладкой поверхности и поверхности с микрошероховатостью двойной кривизны без покрытия (1) и с покрытием (2)

Для поверхности c высотой шероховатости 5 мкм и покрытием получено снижение сопротивления на 10% при числе Re = 65000.

 Микро- и нанорельеф поверхности оказывают влияние на краевой угол. Исследованы различные рельефы поверхности: микролинейчатый, микростолбчатый, наностолбчатый (рис.28).

Рис.28. Различные рельефы поверхности

(а) микролинейчатый,(b) микростолбчатый (с),наностолбчатый

Наностолбчатый рельеф поверхности  увеличивает                                                                                                         краевой угол более 90%. Увеличение угла смачивания на микролинейной поверхности составило 30-60% и 60% на поверхности с микростолбчатым рельефом (рис.29).

Рис. 29. Фотографии капель жидкости на поверхностях с различным рельефом

Гидрофобную поверхность можно получить с помощью плотноупакованных упорядоченных молекулярных слоев ПАВ. Формование молекулярных слоев осуществляется за счет адсорбции ПАВ на поверхности металла из водных растворов (рис.30).

Рис.30. Схема расположения молекул ПАВ на металлической поверхности при формировании плотноупакованного гидрофобного слоя

Углоы смачивания для  поверхности, покрытой слоем ПАВ, минимальные и не зависят  от исходной шероховатости. В трубе с адсорбированными ПАВ на внутренней поверхности проведены измерения гидравлического сопротивления (рис.31).

Рис.31. Изменение относительной величины гидравлического сопротивления в трубах при сорбции молекул ПАВ

В результате сорбции молекул ПАВ на поверхности трубы  относительная величина гидравлического сопротивления понижается. Верхняя кривая на рис.31 соответствует изменению гидравлического сопротивления трубопроводов без дозирования ПАВ, нижняя - при наличии в потоке молекул ПАВ. Таким образом  при сорбции ПАВ на  поверхности происходит  снижение гидравлического сопротивления трубопровода.  Рассмотренный  способ позволяет снизить гидравлическое сопротивления трубопроводов более чем на 20 % .

 При обтекании жидкостью ультрагидрофобной  поверхности, взаимодействующей с водой , как показано на рис. 32  возможно локальное проскальзование на стенке (рис. 33).

Рис.32. Взаимодействие воды с ультрагидрофобной поверхностью

Рис.33. Измеренный профиль скорости при обтекании ультрагидрофобной  поверхности