近期，我校机械工程学院刘焜教授课题组，在考虑表面形貌效应的微结构球体入水气腔构筑机制及水下摩擦减阻方面取得一系列研究进展，相关研究成果分别在线发表在工程技术和流体力学领域著名期刊Nanoscale及Physics of Fluids上。

气腔夹带现象在水下航行体减阻、军事领域以及在防腐领域应用广泛，它将物体在流体中运动时的流体阻力从固液接触转化成固-气接触，从而大幅度降低了摩擦阻力，对于提高海洋航行体的能源利用率、降低摩擦损耗具有重要意义。减少阻力是海洋运输业面临的重大挑战之一。受在空气中移动的物体受到的阻力比在水中小的多的这一事实的启发（水的动态粘度远远大于空气的动态粘度），通过在结构体表面构建空气层改变结构体附近的流体密度（空气层缓冲），使得固-液界面转变为固-气界面，从而显著降低壁面摩擦阻力。鉴于此，刘焜教授团队青年教师焦云龙副研究员开展了考虑表面形貌效应的结构体入水气腔构筑机制研究（Nanoscale，2022，14(31)：11218—11226.）。该项研究工作的主要创新点在于，通过在球体表面构筑一种表面微观粗糙结构，使得球体入水后在固液接触面上形成三相接触线的钉扎，从而诱导固体外表面形成气腔夹带，并实现水下减阻。相较于传统的超疏水涂层、莱斯效应以及超空泡等气腔构筑技术，表面粗糙微结构可以长时间稳定的生成水下气腔，并且不受到球体表面润湿性控制，即使是在亲水固体表面依然可以在较低的冲击速度下产生气腔，极大降低水下气腔生成的临界速度。

此外，课题组通过进一步调控球体表面润湿性区域大小以及球体入水冲击角度，详细探究了微结构球体入水后的流体动力学特性（Physics of Fluids，2022，DOI: 10.1063/5.0111025），分析了典型气腔的生成与调控机制，并结合相应的数值模拟和仿真工作分析了流体沿粗糙壁面流动过程中的线性滑移现象（Physics of Fluids，2022，34(8)：082106.），为微结构表面的水下减阻特性提供了相关理论研究基础。

以上系列研究工作得到包括国家自然科学基金青年基金、面上基金以及中央高校基本科研业务费专项资金的资助。合肥工业大学为论文成果第一署名单位，论文通讯作者为机械工程学院摩擦学研究所焦云龙副研究员，第一作者包括机械工程学院2019级博士研究生王兆长、2020级硕士研究生陶彤彤。

微结构球体撞击自由液面产生水下气腔夹带现象

粗糙固体表面流体边界滑移模拟

典型气腔的形成与调控：无气腔、过渡气腔、深闭合气腔、面闭合气腔

相关文章链接：

1.Nanoscale，2022，14(31)：11218—11226.

https://pubs.rsc.org/en/content/articlepdf/2022/nr/d2nr02791g

2.Physics of Fluids，2022，34(8)：082106.

https://aip.scitation.org/doi/full/10.1063/5.0102109

3.Physics of Fluids，2022， DOI：10.1063/5.0111025

https://aip.scitation.org/doi/abs/10.1063/5.0111025

（王兆长/文 王兆长/图 蔡伟伟/审核）

责任编辑：刘红平