一种基于受测试件周期振荡的等效滑移长度测量方法

摘要

本公开提供了一种基于受测试件周期振荡的等效滑移长度测量方法，包括：步骤S101：制备具有超疏水表面的受测试件，并将受测试件安装在等效滑移长度测量系统；步骤S102：设定等效滑移长度测量系统的参数，开启等效滑移长度测量系统；步骤S103：受测试件在自身平面内进行周期运动并带动流体产生Stokes层，测量Stokes层内的观测点的实际最大速度；步骤S104：由所述实际最大速度计算等效滑移长度。

权利要求

1.一种基于受测试件周期振荡的等效滑移长度测量方法，其特征在于，包括：步骤S101：制备具有超疏水表面的受测试件，并将受测试件安装在等效滑移长度测量系统；

步骤S102：设定等效滑移长度测量系统的参数，开启等效滑移长度测量系统；

步骤S103：受测试件在自身平面内进行周期运动并带动流体产生Stokes层，测量Stokes层内的观测点的实际最大速度；

步骤S104：由所述实际最大速度计算等效滑移长度；

在步骤S104中，由实际最大速度得到速度幅值变化系数，由速度幅值变化系数得到等效滑移长度；

对于简谐振荡运动曲线，根据公式u(y,t)|Max＝αU0e-η，得到速度幅值变化系数；

其中，U0e-η为试件表面无滑移条件下观测点所在高度处的最大速度；u(y,t)|Max为实际最大速度；α为速度幅值变化系数；U0为壁面的最大振荡速度；η＝ky，k为波数，ω为简谐振动的圆频率；y为观测点距离试件表面的高度，v为流体介质的运动粘度；

对于简谐振荡运动曲线，通过公式

计算等效滑移长度，lb为等效滑移长度，或者通过查找速度幅值变化系数与等效滑移长度的对应关系表得到等效滑移长度；

对于非简谐振荡，通过受测试件周期振荡的速度变化曲线，利用数值计算的方式来得到等效滑移长度。

2.如权利要求1所述的等效滑移长度测量方法，其特征在于，在步骤S101中，在平整的受测试件上通过喷涂或者打印微纳尺度多级结构方式制备超疏水表面，将制备好的具有超疏水表面的受测试件安装到等效滑移长度测量系统。

3.如权利要求1所述的等效滑移长度测量方法，其特征在于，等效滑移长度测量系统的参数包括：振荡运动速度-时间曲线、振荡频率和位移幅值。

4.如权利要求2所述的等效滑移长度测量方法，其特征在于，受测试件的截面为平表面，其特征尺寸大于位移幅值的十倍。

5.如权利要求1所述的等效滑移长度测量方法，其特征在于，将受测试件中间站位处Stokes层内距离超疏水表面任意高度处的一个固定空间位置作为观测点。

说明书

一种基于受测试件周期振荡的等效滑移长度测量方法

技术领域

[0001] 本发明属于流体力学和界面滑移实验测量技术领域，尤其涉及一种基于受测试件周期振荡的等效滑移长度测量方法。

背景技术

[0002] 随着材料工艺和微纳米制造技术的发展，科研工作者对具有微结构固体功能表面的研究日趋深入，固体功能表面被越来越广泛地应用在实际生活中。当固体表面的微结构中存在气层或不溶于水的液体时，引入滑移边界条件的假设更符合真实的物理情况。

[0003] 在1823年，Navier提出了滑移边界条件假设，并相应地提出了滑移长度的概念，这一边界条件可以很好地描述具有微结构的固体功能表面的等效滑移对周围流场的影响。固体表面的滑移可以降低水下航行器的阻力和噪声，提高航行速度并节省能量，对实际应用具有重大意义。因此，有必要测量得到准确的滑移长度。

[0004] 随着仪器技术的发展，人们提出了多种测量固体表面滑移长度的实验方法。常用的滑移长度实验测量方法包括粒子测量法和力测量法。粒子测量法基于光学成像的原理，通过在流场中加入一定的荧光粒子，利用激光、高速相机等设备得到表面附近的粒子运动情况并计算出流场的速度分布，进而计算出表面的滑移长度。常用的粒子测量法包括粒子图像测速技术(PIV或Micro PIV)和荧光漂白恢复技术(FRAP)等。力测量法基于圆柱或圆球表面在流体中缓慢靠近另一个固体表面的物理模型，根据斯托克斯流动中得到的理论解，可以通过圆球或圆柱所受的流体作用力计算出滑移长度。因此，在力测量法中，滑移长度是通过流体作用力间接给出的，属于间接测量的方法，而流体作用力可以通过仪器直接测量，也可以利用悬臂梁装置，通过梁自由端的位移间接测量得到。常用的力测量法对应的实验仪器有表面力仪(SFA)和原子力显微镜(AFM)等。除此之外，其他间接测量滑移长度的实验方法还包括毛细压降测量法、旋转流变仪扭矩测量法等。总体来说，通过实验方法测量得到的滑移长度在纳米至百微米的范围内。

[0005] 对于需要借助表面力仪和原子力显微镜的间接测量技术，其测量精度较高，但需要精确的滑移模型来推算滑移长度和滑移速度，且测试仪器昂贵。而对于粒子图像测速技术等直接测量方法需要计算得到固体表面上的速度梯度才能计算出滑移长度，要求对近壁面速度曲线进行精确测量，这是当前实验测量领域的挑战。因此，寻求更简便可行的滑移长度测量方法对实际工程应用有重要意义。

[0006] 公开内容

[0007] (一)要解决的技术问题

[0008] 本发明的目的在于寻求一种简便的滑移长度测量方法，借助速度测量手段，只需要得到Stokes层以内任意高度处固定空间点的最大振荡速度，便可以计算得到滑移长度；并且对于每一种周期振荡运动速度-时间曲线，都可以给出速度幅值变化系数和等效滑移长度的参数对照表，方便在实际应用中通过查表得到滑移长度。

[0009] (二)技术方案

[0010] 本公开提供了一种基于受测试件周期振荡的等效滑移长度测量方法，包括：

[0011] 步骤S101：制备具有超疏水表面的受测试件，并将受测试件安装在等效滑移长度测量系统；

[0012] 步骤S102：设定等效滑移长度测量系统的参数，开启等效滑移长度测量系统；

[0013] 步骤S103：受测试件在自身平面内进行周期运动并带动流体产生Stokes层，测量Stokes层内的观测点的实际最大速度；

[0014] 步骤S104：由所述实际最大速度计算等效滑移长度。

[0015] 本发明的实施例中，在步骤S101中，在平整的受测试件上通过喷涂或者打印微纳尺度多级结构等方式制备超疏水表面，将制备好的具有超疏水表面的受测试件安装等效滑移长度测量系统。

[0016] 本发明的实施例中，等效滑移长度测量系统的参数包括：振荡运动速度-时间曲线、振荡频率和位移幅值。

[0017] 本发明的实施例中，受测试件的截面为平表面，其特征尺寸大于位移幅值的十倍以上。

[0018] 本发明的实施例中，将受测试件中间站位处Stokes层内距离超疏水表面任意高度处的一个固定空间位置作为观测点。

[0019] 本发明的实施例中，在步骤S104中，由实际最大速度得到速度幅值变化系数，由速度幅值变化系数得到等效滑移长度。

[0020] 本发明的实施例中，对于简谐振荡运动曲线，根据公式u(y，t)|Max＝αU0e-η，得到速度幅值变化系数；

[0021] 其中，U0e-η为试件表面无滑移条件下观测点所在高度处的最大速度；u(y，t)|Max为实际最大速度；α为速度幅值变化系数。

[0022] 本发明的实施例中，

[0023] 对于简谐振荡运动曲线，通过公式

[0024]

[0025] 计算等效滑移长度lb，或者通过查找速度幅值变化系数与等效滑移长度的对应关系表得到等效滑移长度；

[0026] 对于非简谐振荡，通过受测试件周期振荡的速度变化曲线，利用数值计算的方式来得到等效滑移长度。

[0027] (三)有益效果

[0028] 本发明借助流场速度测量手段，只需要测量单个空间点的速度，得到Stokes层内任意高度处固定空间点的最大振荡速度，便可以计算滑移长度；而不再需要精确测量试件上的速度梯度，避免了试件表面测量的误差；可供选择的速度测量手段也不再限于粒子图像测速技术。并且对于每一种周期振荡运动速度-时间曲线，都可以给出速度幅值变化系数α和等效滑移长度的对照表，方便在工程应用中查表得到滑移长度。

附图说明

[0029] 图1为本发明实施例的基于受测试件周期振荡的等效滑移长度测量方法的流程图。

[0030] 图2为简谐振荡和匀速往复振荡的速度-时间曲线示意图。

[0031] 图3为滑移长度与速度幅值变化系数的对应关系曲线。

[0032] 图4为观测点的位置示意图。

[0033] 图5为等效滑移长度示意图。

[0034] 图6为等效滑移长度测量系统的结构示意图。

[0035] 图7为等效滑移长度测量系统的正视图。

[0036] 图8为等效滑移长度测量系统的侧视图。

[0037] 图9为等效滑移长度测量系统的斜视图。

[0038] 【附图标记】

[0039] 1-振荡模组高度调节器；2-固定支架；3-电机滑块模组；4-有机玻璃水箱；5-延长连杆；6-水面盖板；7-受测试件；8-水介质；9-平台。

具体实施方式

[0040] 本发明的目的在于寻求一种简便的滑移长度测量方法，借助速度测量手段，只需要得到Stokes层以内任意高度处固定空间点的最大振荡速度，便可以计算得到滑移长度；并且对于每一种周期振荡运动速度-时间曲线，都可以给出速度幅值变化系数和等效滑移长度的参数对照表，方便查表得到滑移长度。

[0041] 下面将结合实施例和实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。

[0042] 本发明实施例提供了一种基于周期壁面振荡的等效滑移长度测量方法，如图1所示，包括如下步骤：

[0043] 步骤S101：制备具有超疏水表面的受测试件，并将受测试件安装在等效滑移长度测量系统。

[0044] 步骤S102：设定等效滑移长度测量系统的参数，开启等效滑移长度测量系统。

[0045] 步骤S103：受测试件在自身平面内进行周期运动并带动流体产生Stokes层，测量Stokes层内的观测点的实际最大速度；

[0046] 步骤S104：由所述实际最大速度计算等效滑移长度。

[0047] 本实施例基于受测试件周期振荡的等效滑移长度测量方法，以简谐振荡为例，结合图5，其测量原理如下：

[0048] 对于受测试件周期振荡引起的流动，有效界面滑移会使试件表面上流体的实际速度幅值减小。基于此原理，通过PIV、热线、LDV等测量方法测量出Stokes层内任一高度处的最大速度，便可以求得受测试件的等效滑移长度。

[0049] 考虑Stokes第二问题，平板试件在自身平面内做简谐振动，周围流体因为粘性而被平板试件带动，控制方程可以写为：

[0050]

[0051] 其中，u为流体运动的速度，v为运动粘度，平板试件壁面的法向坐标为y＝0。带入简谐振荡的速度边界条件u(y，t)＝U0 sin ωt，并考虑壁面上存在的等效滑移长度lb使得流体的实际速度幅值减小，可以解得壁面上不同高度处流体的实际最大速度：

[0052] u(y，t)|Max＝αU0e-η

[0053] 其中，U0为壁面的最大振荡速度；η＝ky，波数 ω为简谐振动的圆频率，ω＝2πf，f为频率；α为速度幅值变化系数：

[0054]

[0055] 其中，β＝klb。可以看出，有了滑移之后，壁面上不同高度处流体的实际最大振荡速度都为原来的α倍，并随着离开壁面的距离呈指数衰减，如图4所示。因此，由Stokes层内任一法向位置的实际最大速度都可以计算出速度幅值变化系数α。等效滑移长度lb可以表示为：

[0056]

[0057] 对于非简谐振荡的形式，可以通过数值求解控制方程来得到比例系数α随等效滑移长度的变化。考虑另一种极端振荡形式：壁面做匀速周期往复运动，如图2所示。匀速周期往复运动和简谐振荡的数值计算结果见图3。图3对比了振荡频率为0.5HZ、1HZ、2HZ时在简谐振荡和匀速周期往复运动两种振荡形式下，速度幅值变化系数α随等效滑移长度lb的变化，水介质在20.2℃时的运动粘度为1.0×10-6m2/s。速度幅值变化系数α的具体数值参见表1，表1示出了在简谐振荡和匀速周期往复运动两种振荡形式下，速度幅值变化系数α与等效滑移长度lb在不同振荡频率下的对应关系，可作为相同实验条件下由速度幅值变化系数α换算等效滑移长度的参考。

[0058] 表1

[0059]

[0060] 振荡频率越高，流体的速度幅值减小越明显，但这也意味着粘性波的穿透深度越薄，流体振荡的波长λ＝2π/k，不利于测速技术对边界层的观测。实际测量时，应根据具体情况选择合适的振荡频率。另外，相比于匀速周期往复运动，在简谐振荡的形式下，相同的等效滑移长度引起的速度幅值减小更加明显。

[0061] 本实施例的等效滑移长度测量方法，在步骤S101中，在平整的受测试件上通过喷涂或者打印微纳尺度多级结构等方式制备超疏水表面，将制备好的具有超疏水表面的受测试件安装到等效滑移长度测量系统。

[0062] 等效滑移长度测量系统可以让受测试件在自身平面内周期振荡。参见图6至图9所示，等效滑移长度测量系统包括：振荡模组高度调节器1、固定支架2、电机滑块模组3、有机玻璃水箱4、延长连杆5、水面盖板6、受测试件7、水介质8、平台9以及电机控制系统等器件，按照测量原理组装成一体化装置系统进行测量。受测试件7固定在延长连杆5，没入水介质8中，通过水面盖板6来减小水面的波动。

[0063] 在步骤S102中，设定等效滑移长度测量系统的参数，开启等效滑移长度测量系统。

[0064] 电机滑块模组3包括电机和滑块。电机控制系统设置电机滑块模组3的参数，包括：振荡运动速度-时间曲线、振荡频率和位移幅值。

[0065] 受测试件7的截面为平表面。在一个示例中，受测试件7的尺寸为10cm×10cm，其特征尺寸大于周期振荡的位移幅值的十倍以上，以保证受测试件7中间站位的流体远离受测试件7边缘的影响。

[0066] 本步骤中，根据受测试件7的尺寸大小设定合适的振荡运动速度-时间曲线、振荡频率和位移幅值。在一个示例中，通过电机控制系统设置电机滑块模组3的运动轨迹(即振荡运动速度-时间曲线)为正弦曲线，振荡频率为1HZ，周期振荡的单侧位移幅值(即电机滑块模组3参数中的位移幅值)为1mm；由正弦速度-时间曲线可以计算得到滑块的峰值速度(即受测试件的最大振荡速度)为U0＝2πmm/s。

[0067] 参数设置好后启动电机，受测试件在自身平面内周期地振荡并带动周围流体产生Stokes层。

[0068] 在步骤S103中，通过流体力学的速度测量方法，如热线、粒子图像测速(PIV)或激光多普勒测速(LDV)等方法，将受测试件7中间站位处Stokes层内距离超疏水表面任意高度处的一个固定空间位置作为观测点，测量观测点的速度随时间的变化，得到该观测点的实际最大速度u(y，t)|Max。在一个示例中，观测点距离超疏水表面1mm。

[0069] 步骤S104：由所述实际最大速度计算等效滑移长度。

[0070] 首先，由实际最大速度得到速度幅值变化系数。

[0071] 无滑移条件下，Stokes层内距离受测试件7超疏水表面不同高度处的峰值速度为U0e-η。

[0072] 根据公式u(y，t)|Max＝αU0e-η，实际最大速度u(y，t)|Max除以壁面无滑移条件下该高度处的最大速度U0e-η得到速度幅值变化系数α。

[0073] 然后，由速度幅值变化系数得到等效滑移长度。

[0074] 对于简谐振荡运动曲线，可以通过公式

[0075]

[0076] 计算等效滑移长度lb，或者通过查找表1所示的速度幅值变化系数与等效滑移长度的对应关系表得到等效滑移长度。

[0077] 对于非简谐的周期振荡形式(即非简谐振荡)，可通过数值求解控制方程的方式来得到等效滑移长度。

[0078] 本发明利用受测试件周期振荡实现滑移长度的计算，只需要得到Stokes层厚度以内任一空间点的最大速度便可以计算出试件表面上的等效滑移长度。为了增加测量计算的准确性，可以在Stokes层内多测量几个观测点，多次测量取平均值得到等效滑移长度。

[0079] 需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：

[0080] (1)实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围；

[0081] (2)上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

[0082] 以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。