[論文レビュー] Large Drag Reduction over Superhydrophobic Riblets

Charlotte Barbier, Elliot Jenner+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 2, 2014

Fluid Dynamics and Vibration Analysis参考文献 2被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、微細な溝構造とナノスケールのスパイク構造を組み合わせた新規な超撥水性リブレット表面を提示し、乱流状態で最大20%の抗力低減を達成した。設計により空気層の安定性とスリップ長が向上し、100 µmの深さの溝を有する試料ではスリップ長が100 µmを超えるとともに、広範な剪断速度範囲で一貫した抗力低減効果を示した。

ABSTRACT

Riblets and superhydrophobic surfaces are two demonstrated passive drag reduction techniques. We describe a method to fabricate surfaces that combine both of these techniques in order to increase drag reduction properties. Samples have been tested with a cone-and-plate rheometer system, and have demonstrated significant drag reduction even in the transitional-turbulent regime. Direct Numerical Simulations have been performed in order to estimate the equivalent slip length at higher rotational speed. The sample with 100~$μ$m deep grooves has been performing very well, showing drag reduction varying from 15 to 20 $\%$ over the whole range of flow conditions tested, and its slip length was estimated to be over 100 $μ$m.

研究の動機と目的

• 乱流状態で効果的な性能を発揮するため、リブレットと超撥水性を組み合わせた被動的抗力低減表面の開発を目的とする。
• 微細な溝に超撥水性スパイク構造を組み合わせることで、高剪断応力下でも空気層を安定化できるかを調査すること。
• 実験的および数値的手法を用いて、遷移領域および乱流領域における抗力低減を定量的に評価すること。
• 直接数値シミュレーション（DNS）を用いて、実験的限界を超えた高剪断速度における等価スリップ長を推定すること。

提案手法

• 砥石研削を用いて、深さが異なる同心円状の溝（0、10、100、1000 µm）を有するアルミ基板を加工した。
• クエン酸およびテトラメチルアンモニウムヒドロキシドを用いた多段階の酸化およびエッチング処理により、約780 nm間隔のフレア形状で六角形状のスパイクアレイを形成した。
• コンフォーマルなHyflon AD60撥水コーティングを適用し、接触角が150°以上、転がり角が10°未塔を達成した。
• 10～70 rad/sの回転速度範囲で、コーン・プレート型リアオメータを用いて抗力低減を測定した。
• コーン・プレート流れの直接数値シミュレーション（DNS）を実施し、より高い回転速度におけるスリップ長を推定した。
• 測定トルクと有効スリップ長 $ \delta $ を関連付けるため、スリップ速度式 $ U_s = \delta \frac{dU}{dn} $ を用いた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 リブレットと超撥水性スパイク構造を組み合わせることで、単独での使用に比べ、乱流状態における抗力低減効果を顕著に向上させられるか？
• RQ2 溝の深さが、高剪断応力下での捕獲された空気層の安定性およびそれに伴うスリップ長にどのように影響するか？
• RQ3 超撥水性スパイクの幾何学的形状（例：フレア形状、六角形状）は、平板またはマイクロポスト構造に比べ、空気層保持性をどの程度向上させるか？
• RQ4 船舶の船体など実世界の応用に適した剪断速度領域における複合表面の有効スリップ長はどの程度か？
• RQ5 溝の存在が、高剪断応力下でしばしば観察される超撥水性表面の spanwise 抗力の増加を緩和するか？

主な発見

• 100 µmの深さの溝を有する試料は、すべての試験条件において最大15–20%の抗力低減を達成した。これは遷移・乱流領域を含む。
• 100 µmの溝を有する試料のスリップ長は100 µmを超えると推定された。これは、浅いまたは深い溝を有する試料に比べ顕著に高い値であった。
• 10 µmおよび1,000 µmの深さの溝を有する試料では、抗力低減が5–10%にとどまり、最大性能を得るには最適でない溝深さであることが示された。
• 100 µmの溝を有する試料は、高剪断速度（最大1,700 s⁻¹）でも抗力低減を維持していた。これは空気層の安定性が優れていることを示唆している。
• DNSシミュレーションの結果、100 µmの溝を有する試料のスリップ長は約150 µmであり、シミュレーションと実験的トルク測定値の間に良好な一致が得られた。
• 44 rad/s（乱流への遷移点）における抗力低減ピークは、乱流発生の遅れが関与している可能性を示唆しており、遷移領域における性能向上に寄与していると考えられる。