Экспериментальные исследования гидродинамических характеристик канонической области типа «пластина» с модифицированной поверхностью

Рассматривается возможность использования подходов биомиметики, в частности, эффекта «листа лотоса», выражающегося в супергидрофобности обтекаемых поверхностей. Представлены результаты экспериментальных исследований влияния различных модификаций поверхности канонической области типа «пластина» на её гидравлические характеристики. Обтекание пластин проводилось в гидродинамическом лотке прямоугольного сечения. Исследовались медные пластины с габаритами 200х300х1 мм. Рассматривалось три плаcтины, одинаковые по геометрии, но с различным состоянием поверхностей. Одна в исходном состоянии; одна с поверхностями, модифицированными на основе поверхностно-активного вещества (ПАВ); одна с поверхностями, обработанными посредством лазерной абляции (формирование лазером многомодального рельефа) с последующей модификацией на основе ПАВ. В ходе экспериментальных исследований было получено распределение скоростей в спутном следе за обтекаемыми пластинами с различными характеристиками поверхности. Исходя из характера изменений скорости спутного следа за обтекаемыми пластинами, сделан вывод о уменьшении величины гидравлического сопротивления за счет модификации поверхности. Средневзвешенная скорость за обтекаемой пластиной увеличилась более чем на 4% для пластины с комбинированно модифицированной поверхностью по сравнению с исходной. Описывается процесс модификации поверхности медной пластины с помощью лазерной абляции, а также формирования дополнительных молекулярных слоев ПАВ, с целью достижения максимального эффекта супергидрофобности. Определены наиболее эффективные технологические особенности процесса лазерной абляции, такие как: мощность и частота излучения, наиболее предпочтительный рельеф модифицированных поверхностей и его геометрические параметры. Рассмотрены наиболее характерные особенности влияния шероховатости поверхности на угол смачивания. С помощью комплекса ОСА 20, для всех подготовленных образцов пластин были определены углы смачиваемости θ. Результаты исследований доказывают перспективность данной технологии модификации поверхностей для использования в гидравлических машинах.

1. A comprehensive review on recent advances in superhydrophobic surfaces and their applications for drag reduction. M. Liravi, H. Pakzad, A. Moosavi, A. Nouri-Borujerdi / Progress in Organic Coatings 2020; 140: 105537. (на Английском)

2. Biomimetic superhydrophobic and antibacterial stainless-steel mesh via double-potentiostatic electrodeposition and modification. S. Li, Y. Liu, Z. Tian, X. Liu, Z. Han, L. Ren. Surface and Coatings Technology 2020; 403: 126355. (на Английском)

3. Fabrication of durable superhydrophobic surfaces using PDMS and beeswax for drag reduction of internal turbulent flow. H. Pakzad, M. Liravi, A. Moosavi, A. Nouri-Borujerdi, H. Najafkhani. Applied Surface Science 2020; 513: 145754. (на Английском)

4. An experimental study of the drag reducing surfactant for district heating and cooling. M. Kotenko, H. Oskarsson, C. Bojesen, M. P. Nielsen / Energy, 2019; 178: 72–78. (на Английском)

5. Nanosecond Laser Fabrication of Hydrophobic Stainless-Steel Surfaces: The Impact on Microstructure and Corrosion Resistance. M. Rafieazad, J. A. Jaffer, C. Cui, X. Duan, A. Nasiri / Materials (Basel, Switzerland) 2018; 11: 1577–1591. (на Английском)

6. Novel Metal-organic Super-hydrophobic Surface Fabricated by Nanosecond Laser Irradiation in Solution. Z. Yang, X. Liu, Y. Tian / Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects 2020; 587: 124343. (на Английском)

7. Изменение смачиваемости поверхности нержавеющей стали на основе лазерного текстурирования рельефа. А. В. Рыженков А. В. Волков, Е. С. Трушин, С. П. Черепанов / Глобальная энергия 2022; 28(4): 136–146. (на Русском)

8. Снижение гидравлического сопротивления медной цилиндрической поверхности за счет лазерного текстурирования упорядоченного рельефа. С. В. Григорьев, А. В. Рыженков, А. В. Волков, М. Р. Дасаев, Е. С. Трушин, А. Ю. Лихаева / Вестник Московского Энергетического Института. Вестник МЭИ 2022; (6): 110–116. (на Русском)

9. Влияние текстурирования рельефа на основе лазерной абляции на условия смачиваемости латунной поверхности. А. В. Рыженков, С. В. Григорьев, М. Р. Дасаев, Е. С. Трушин, Е. М. Тябут / Вестник ЮУрГУ. Серия Энергетика 2021; 21(4): 13–20. (на Русском)

10. Condensation of water vapor underneath an inclined hydrophobic textured surface machined by laser and electric discharge. Ganesh B. Shirsath, K. Muralidhar, Raj Ganesh S. Pala, J. Ramkumar / Applied Surface Science 2019; 484: 999–1009. (на Английском)

11. Effect of coating architecture on stress and energy relief efficiency of TiZrN coating on Si substrate. Matthew Wei-Jun Liu, JiaHong Huang / Thin Solid Films 2022; 751: 139219. (на Английском)

12. Superhydrophobic, self-cleaning carbon nanofiber CVD coating for corrosion protection of AISI 1020 steel and AZ31 magnesium alloys. A. Siddiqui, R. Maurya, P. Katiyar, K. Balani / Surface and Coatings Technology 2020: 404; 126421. (на Английском)

13. Numerical simulation on nanosecond laser ablation of titanium considering plasma shield and evaporation-affected surface thermocapillary convection. Z. Yan, X. Mei, W. Wang, A. Pan, Q Lin, C. Huang / Optics Communications 2019; 453: 124384. (на Английском)

14. Effects of laser parameters on morphological change and surface properties of aluminum alloy in masked laser surface texturing. S. J. Won, H. S. Kim / Journal of Manufacturing Processes, 2019; 48: 260–269. (на Английском)