[论文解读] Large Drag Reduction over Superhydrophobic Riblets
本研究提出一种新型超疏水肋纹表面，结合微沟槽与纳米级尖刺结构，在湍流中实现高达20%的阻力降低。该设计增强了空气层稳定性与滑移长度，其中100 µm深沟槽样品的滑移长度超过100 µm，并在广泛剪切速率范围内保持稳定的阻力降低效果。
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.
研究动机与目标
- 开发一种结合肋纹与超疏水性的被动阻力降低表面，以在湍流中实现更优性能。
- 探究具有超疏水尖刺结构的微沟槽是否能在高剪切应力下稳定空气层。
- 利用实验与数值方法量化在转捩与湍流流动区域中的阻力降低效果。
- 利用直接数值模拟（DNS）估算超出实验极限的高剪切速率下的等效滑移长度。
提出的方法
- 通过金刚石车削在铝基底上加工出不同深度（0、10、100、1000 µm）的同心沟槽。
- 采用多步阳极氧化与柠檬酸及四甲基氢氧化铵溶液蚀刻，形成间距约780 nm的扇形、六边形尖刺阵列，实现超疏水表面。
- 涂覆一层共形的Hyflon AD60疏水涂层，使接触角 >150°，滚落角 <10°。
- 利用锥板流变仪在10至70 rad/s的转速范围内测量阻力降低效果。
- 对锥板流动进行直接数值模拟（DNS），估算更高转速下的滑移长度。
- 使用滑移速度公式 $ U_s = \delta \frac{dU}{dn} $ 将测得扭矩与有效滑移长度 $ \delta $ 关联。
实验结果
研究问题
- RQ1将肋纹与超疏水尖刺结构结合，是否能显著提升湍流中的阻力降低效果，相比单独使用任一方法？
- RQ2沟槽深度如何影响在高剪切应力下捕获空气层的稳定性及由此产生的滑移长度？
- RQ3超疏水尖刺的几何形状（如扇形、六边形）相比平面或微柱结构，在空气层保持方面改善程度如何？
- RQ4在船舶船体等实际应用相关的剪切速率下，该复合表面的有效滑移长度是多少？
- RQ5沟槽结构是否能缓解超疏水表面在高剪切条件下常见的展向阻力增加问题？
主要发现
- 100 µm深沟槽样品在所有测试流动条件下均实现了最高15–20%的阻力降低，包括转捩-湍流区域。
- 100 µm沟槽样品的滑移长度估算值超过100 µm，显著高于浅或深沟槽样品。
- 10 µm和1,000 µm深沟槽样品仅表现出5–10%的阻力降低，表明其沟槽深度并非实现最大性能的最优选择。
- 100 µm沟槽样品在高剪切速率（高达1,700 s⁻¹）下仍保持阻力降低效果，表明空气层具有优异稳定性。
- DNS模拟证实，100 µm沟槽样品的滑移长度约为150 µm，模拟结果与实验扭矩测量值高度一致。
- 在44 rad/s（转捩至湍流）处出现阻力降低峰值，表明湍流起始可能被延迟，从而在转捩区域提升整体性能。
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