单一参数即可预测表面活性剂对超疏水减阻的削弱

近期实验与计算研究表明，实践中不可避免的痕量表面活性剂会通过诱导气液界面的马兰戈尼应力，严重削弱超疏水表面（SHSs）的减阻效果。然而，针对真实SHS几何结构的预测模型尚不存在，这限制了对这些不利表面活性剂效应的理解与缓解。为解决此问题，我们推导了层流、三维流动过SHS光栅的模型，作为几何与可溶性表面活性剂性质的函数，二者共涵盖10个无量纲群。我们确定光栅长度 $g$ 是关键几何参数，并预测实际滑移与无表面活性剂滑移之比随 $g^2$ 增大。在模型指导下，我们开展了协同数值模拟与微流控实验，在改变表面活性剂类型与SHS几何结构时与理论吻合良好。我们的模型还能基于速度测量估算微流控系统中固有存在的、先验未知的表面活性剂性质。对于SHSs，我们表明表面活性剂效应可由单一参数预测，该参数表示光栅长度与界面长度尺度之比，超过此尺度流动即 mobilizes 空气-水界面。该 mobilisation 长度对表面活性剂化学性质的敏感度高于对其浓度的敏感度，因此即使痕量污染物若具高表面活性也可能显著增加阻力。这些发现推进了对真实界面流动的基础理解，并提供了最大化超疏水减阻的实用策略。