[发明专利]一种测量超疏水表面有效滑移长度的装置及方法

说明书

一种测量超疏水表面有效滑移长度的装置，包括：第一电机、叶轮、水槽以及旋涡频率测量单元；叶轮设于水槽中且固定在第一电机的输出轴上，用于提供水流循环动力；水槽包括可更换试验段；旋涡频率测量单元包括第二电机、旋转圆柱、旋涡测速仪以及处理器；第二电机的输出轴连接旋转圆柱，旋转圆柱位于可更换试验段中，用于在第二电机驱动下旋转，在可更换试验段中产生旋涡；旋涡测速仪用于测量旋涡脱落速度；处理器用于根据旋涡脱落速度求解有效滑移长度；旋转圆柱为待测超疏水材料制成，或者，旋转圆柱表面具有待测超疏水材料层。本发明具有较少的误差来源、较低的时间成本、可以测量更广泛的介质、对测量条件和测量操作具有相对简单的要求等优点。

技术领域

本发明属于流体力学领域，更具体地，涉及一种应用流体力学测量测量超疏水表面有效滑移长度的装置及方法。

背景技术

近年来，超疏水表面吸引了越来越多的研究者的兴趣。超疏水表面的发现是受到了自然界中荷叶表面的启发。荷叶表面的液滴具有很大的接触角和很小的迟滞角。进一步通过高倍电子显微镜观察，荷叶表面具有多级的蜡质微观结构，在加热使这些微观结构融化后，荷叶表面随之失去超疏水性。因此，超疏水性是由疏水表面与其上的粗糙微观结构共同构成。超疏水表面之上的粗糙微观结构可以是规则的，也可以是不规则的。

具有规则微观结构的超疏水表面如图1所示，一般用P代表一个周期性微观结构的长度，W代表其中固体的长度。超疏水表面的气液比GF(gas fraction)定义为：GF＝(P-W)/P。超疏水表面可以应用到很多领域中，如减阻、自清洁、防腐蚀、防覆冰、抗生物污染等。

液体在物体表面有图2所示的典型三类浸润状态。包含液体对光滑表面浸润；液体在粗糙表面呈Wenzel态；以及液滴在超疏水表面Cassie-Baxter态。一般认为当液滴处于Cassie-Baxter态时超疏水表面才具有真正的超疏水性。这时液体与表面的接触角大于150°，滚动迟滞角小于10°。

在超疏水表面的液体能保持Cassie-Baxter态时，此时液体与超疏水表面的实际微观接触面分为气液接触面与固液接触面。对于气液接触面而言，其对液体形成的摩擦阻力极小；因而总的来说液体在材料表面形成一个有效的滑移长度。

液体在固体表面的滑移特征可参见图3所示。对于光滑固体上的纯液相物质而言，其滑移长度在分子尺度；对于宏观材料与装置表面而言，这一滑移长度可忽略，近似为无滑移壁面；但对于微纳米尺度的装置与仪器，则不可忽略。本发明关注的是液相与固相之间存在气体介质；参见图3(b)所示，尽管宏观上气相与固体表面可认为无滑移表面，但这样的气层处在微纳米的尺度范围，宏观上甚至观察不到。因而对液相而言，宏观上呈现了一定的滑移长度与对应的滑移特征。

对于超疏水表面而言，其表面与液体之间部分是直接接触，部分则包含了微小的气层；但其总体性能在宏观上表现出一定的滑移特征，具有一定的有效滑移长度，参见图3(c)所示。

材料表面的滑移长度关系到材料与液体间的摩擦力，对设备润滑、水下航行器减阻、水中兵器的快速运动、提高消防设备喷水扬程等方面具有重要的性能影响，其测量非常有必要。

目前，对材料表面的滑移长度的测量有较大难度。现有的实验手段来测量滑移长度的方法通常是追踪壁面附近流体的方法、测量力或者位移的方法以及毛细管方法。

通过昂贵且复杂的粒子图像测速(PIV方法)可追踪壁面流体的流速分布，是直接对滑移长度进行测量，但是由于示踪粒子与超疏水表面之间可能存在电动力效应，因此这种方法测量得到的滑移长度结果并不可靠。

流变仪测量方法是对超疏水表面流体的滑移进行间接的测量，但是由于不能确定流体在超疏水表面的铺展是否均匀，其测量结果也不可靠。