超疏水表面上湍流中纹理随机化对滑移与界面鲁棒性的影响

超疏水表面在船舶和水动力学应用中展现出减少表面摩擦的巨大潜力。旨在实现可扩展应用的超疏水表面的最新发展使用随机分布的粗糙度，例如喷涂和蚀刻工艺。然而，先前关于流动与超疏水表面相互作用的大多数分析研究了仅在实验室规模实验中经济可行的周期性几何形状。我们对具有随机图案界面的湍流进行了直接数值模拟，考虑了一系列纹理宽度 $w^+\approx 4-26$ 和固体面积分数 $\phi_s=11\%$ 到 $25\%$。滑移和无滑移边界条件以图案形式实现，以模拟气液界面和固体单元的存在。我们的结果表明，在湍流下随机分布纹理的滑移比具有相同尺寸对齐特征表面少约 30%。在小纹理尺寸极限 $w^+\approx 4$ 时，湍流中随机分布纹理的滑移长度可以很好地由先前引入的随机分布无剪切孔的 Stokes 流动解来描述。通过将图案化滑移和无滑移边界的 DNS 结果与相应的均匀化滑移长度边界条件进行比较，我们表明随机分布柱上的湍流可以用流向和展向的各向同性滑移长度来表示。气穴上的平均压力波动与具有相同纹理尺寸和气体分数的对齐特征相似，但当纹理随机分布时，粗糙度单元前缘处的最大界面变形约大两倍。