泰勒-库埃特湍流中利用疏水内圆筒实现气泡减阻

在本研究中，我们通过实验考察了在含有微尺度粗糙度的非润湿表面上，水在 $5.0 \times 10^{5} \leq \text{Re} \leq 1.7 \times 10^{6}$ 的高湍流流动中分散空气时的气泡减阻现象。为此，采用了泰勒-库埃特几何构型，从而能够进行精确的全局阻力与局部流动测量。内圆筒——涂覆有粗糙的疏水材料——旋转，而光滑的外圆筒保持静止。关键控制参数是工作流体中存在的空气体积分数 $\alpha$。对于小体积分数（$\alpha < {4}\%$），我们观察到涂层表面粗糙度增加了阻力。对于大气泡体积分数（$\alpha \geq 4\,\%$），与内外圆筒均未涂覆（即光滑且亲水）并使用相同空气体积分数的情形相比，阻力减小。这表明存在两种相互竞争的机制：一方面，粗糙度导致对数层扩展——引起阻力增加；另一方面，疏水表面与含气泡液体相互作用产生减阻机制。这两种效应的平衡决定了总体是减阻还是增阻。当气泡浓度进一步增加至 $\alpha = {6}\%$ 时，我们发现减阻效应趋于饱和。我们的研究为疏水壁面有界湍流中气泡减阻的工业应用提供了指导。