仿生疏水表面是一种潜在的兼具防污功能的水下减阻新方法，也是减阻领域的研究热点之一，未来有望广泛应用于海洋工程和其他相关领域。本书整理了作者十余年在疏水表面减阻方面取得的一系列研究成果，不仅从微观角度深入揭示了疏水表面滑移效应的分子动力学机理，而且系统分析了仿生疏水表面气膜流失与减阻失效的机制，还提出多种可能的气膜维持新方法。
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前言
第1章 仿生疏水表面概述 1
1.1 减阻研究意义 1
1.2 疏水表面简介 4
1.2.1 疏水表面定义 4
1.2.2 疏水表面润湿原理 6
1.3 疏水表面制备与应用 8
1.3.1 疏水表面制备方法 8
1.3.2 疏水表面应用 10
1.4 本书内容安排 13
参考文献 15
第2章 固体表面分子动力学模拟方法 20
2.1 引言 20
2.2 分子动力学模拟基本原理 20
2.2.1 原子运动方程 20
2.2.2 控制方程的数值解法 21
2.2.3 分子动力学模拟基本流程 25
2.3 固体表面微观流动模拟算例 27
2.4 固体表面附近液体的三维结构 32
2.4.1 分子动力学模拟模型 32
2.4.2 固液界面处液体三维结构分析 34
2.5 固体表面黏附强度模拟 37
2.5.1 分子动力学模拟模型 37
2.5.2 固体表面黏附过程 39
2.5.3 黏附强度与氧–碳相互作用强度的关系 41
2.6 结束语 44
参考文献 44
第3章 固液相互作用对滑移和流场特性影响的模拟研究 48
3.1 引言 48
3.2 分子动力学模拟模型 49
3.2.1 纳米通道内液体流动的分子动力学模型 49
3.2.2 考虑固体内部热传递的固液界面分子动力学模型 50
3.3 固液相互作用强度对流动滑移和流场的影响 52
3.3.1 流体的密度和速度分布特性 52
3.3.2 固液界面流动滑移特性 57
3.3.3 强、弱固液相互作用强度下的滑移机理 58
3.4 黏性热和固液相互作用强度对流场和滑移的综合影响 64
3.4.1 速度和温度分布特性 64
3.4.2 不同固液相互作用下的滑移特性 68
3.4.3 不同固液相互作用和剪切率下的黏性加热效应 70
3.4.4 基于近壁面液体三维结构的滑移产生机理 71
3.5 结束语 73
参考文献 74
第4章 纳米结构上气液界面对滑移和流场特性影响的模拟研究 77
4.1 引言 77
4.2 纳米结构上两相流分子动力学模拟模型 77
4.3 低剪切率下气液界面对滑移和流场的影响 79
4.3.1 气液两相共存压强和表面张力的计算 79
4.3.2 气液界面对流场的影响 85
4.3.3 气液界面对应力和滑移特性的影响 88
4.4 高剪切率下气液界面的形态演化和应力释放 94
4.5 结束语 96
参考文献 97
第5章 疏水性对流场特性影响的实验研究 98
5.1 引言 98
5.2 实验方法 98
5.2.1 平板流场测试方法 98
5.2.2 圆柱尾流场测试方法 102
5.3 疏水平板边界层流场 103
5.3.1 平均速度剖面 103
5.3.2 湍流度分布 104
5.3.3 滑移特性 105
5.3.4 涡结构 106
5.4 疏水圆柱尾流场 111
5.4.1 流场时域特征 111
5.4.2 流场频域特征 113
5.4.3 分离角 117
5.5 疏水表面气液界面形态与流失现象 118
5.6 结束语 121
参考文献 121
第6章 疏水表面气膜驻留过程的模拟研究 124
6.1 引言 124
6.2 疏水表面气膜驻留过程模拟方法 124
6.2.1 格子 Boltzmann 方法 124
6.2.2 壁面润湿性的表征 128
6.3 疏水表面气层特性 132
6.3.1 静态特性 132
6.3.2 动态特性 134
6.4 疏水表面气泡特性 139
6.4.1 静态特性 139
6.4.2 动态特性 142
6.5 结束语 149
参考文献 150
第7章 基于动态补气的疏水表面气液界面维持方法实验研究 152
7.1 引言 152
7.2 基于小量通气的气液界面维持方法 152
7.2.1 实验方法 152
7.2.2 气膜形态 153
7.2.3 减阻效果 155
7.3 基于电解的气液界面维持方法 159
7.3.1 电解原理 159
7.3.2 电解实验方法 163
7.3.3 电极极距对电解特性的影响 164
7.3.4 电极对数对电解特性的影响 166
7.3.5 产气量与产气效率 168
7.4 疏水表面电解补气减阻性能 172
7.4.1 实验系统 172
7.4.2 电解补气布置方法 173
7.4.3 含盐量、电压对电解气量的响应 174
7.4.4 电解补气状态下减阻性能 174
7.5 结束语 177
参考文献 177
第8章 润湿阶跃平板表面间断气液界面变形破坏的实验研究 179
8.1 引言 179
8.2 基于润湿阶跃效应的毫米尺度气液界面封存方法 179
8.3 毫米尺度气液界面剪切变形行为 180
8.3.1 实验方法 180
8.3.2 波状变形产生规律 182
8.3.3 前、后接触角的变化规律 184
8.4 气液界面破坏行为 188
8.4.1 气膜破坏过程定义 188
8.4.2 润湿梯度对气液界面封存能力的影响 189
8.4.3 气膜尺寸对气液界面封存能力的影响 190
8.5 结束语 190
参考文献 191
第9章 润湿阶跃圆柱表面连续气膜对阻力和流场影响的实验研究 192
9.1 引言 192
9.2 实验条件与方法 192
9.2.1 实验设备与模型 192
9.2.2 阻力测试方法 194
9.2.3 实验工况与数据处理 196
9.3 亲疏水相间圆柱表面连续气液界面稳定性 197
9.3.1 连续气液界面静态稳定性及演化规律 197
9.3.2 连续气液界面动态稳定性 201
9.4 连续气液界面减阻规律 202
9.4.1 气液界面阻力随雷诺数变化规律 202
9.4.2 减阻率随气液界面几何参数变化规律 205
9.5 连续气液界面对流场影响规律 207
9.5.1 横截面速度剖面 207
9.5.2 纵剖面涡量场分布 208
9.5.3 阻力来源 210
9.5.4 连续气液界面减阻机理 216
9.5.5 临界雷诺数 217
9.6 结束语 221
参考文献 221
第10章 润湿阶跃圆柱表面间断气膜对阻力和流场影响的实验研究 222
10.1 引言 222
10.2 实验条件与方法 222
10.3 亲疏水相间圆柱表面间断气液界面稳定性 222
10.3.1 间断气液界面静态稳定性 222
10.3.2 间断气液界面动态稳定性 223
10.4 间断气液界面对阻力影响规律 224
10.4.1 不同长度间断气液界面阻力随雷诺数变化规律 224
10.4.2 不同长度间断气液界面增阻率随雷诺数变化规律 228
10.5 间断气液界面的变形及其对流场的影响规律 229
10.5.1 间断气液界面的变形规律 229
10.5.2 横截面速度剖面 233
10.5.3 纵剖面涡量场的分布 235
10.5.4 凹转子表面间断气液界面的阻力特性 236
10.5.5 间断气环气液界面特性 238
10.6 结束语 238
参考文献 239
后记 240
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