Maintenance of the air layer on superhydrophobic surfaces through bubble injection

Abstract

기포 주입을 통한 항력 저감과 초소수성 표면을 이용한 항력 저감은 선박 등의 수중 이동 물체의 마찰저항 감소를 위해 활발히 연구되고 있지만, 각각의 방식이 가지는 한계로 인해 실용적인 기술로의 발전이 지연되고 있다. 기포 주입 항력 저감 방식의 경우 주입된 기포가 표면 위에 머물지 않고 소산되므로 항력저감을 위해 상당한 공기 유량이 필요해 에너지 효율이 낮다. 초소수성 표면의 경우 표면 위의 공기층이 시간에 따라 고갈되어 항력 저감 효과가 감소하는 한계가 존재한다. 따라서 본 연구에서는 두 방법을 결합하여 레이놀즈 수 500,000 – 1,100,000의 난류 경계층 유동에서 두 종류의 초소수성 표면(임의의 거칠기를 가지는 표면 및 유동 방향으로의 요철 표면) 위의 공기층을 아주 적은 유량의 기포 주입을 통해 유지시킬 수 있음을 실험적으로 규명하고자 한다. 이를 위해 표면에서 반사되는 빛의 밝기 변화를 정량화 하여 공기층의 상태를 측정했으며, 기포 주입 방식으로는 표면 하부에서 직접 표면으로 공기를 공급하는 방식 및 표면보다 유동 상류에서 기포를 주입하여 기포가 표면에 충돌하도록 하는 방식을 채택했다. 연구 결과 기존의 공기 공급 항력 저감 방식과 비교하여 매우 적은 양의 기포(~1%)만을 공급하여 표면 위에 공기층을 안정적으로 유지(더 나아가, 얇은 막 형태의 공기층을 표면 전체에 유지)할 수 있음을 실험적, 이론적으로 검증했으며, 요철 구조를 가지는 표면은 임의의 거칠기를 가지는 표면에 비해 굉장히 적은 공기유량으로도 얇은 막 형태의 공기층 유지가 가능함을 확인하였다. 공기층의 복원은 표면 위의 공기층이 전부 고갈된 상황에서도 가능했으며, 표면 위의 평균 공기층 두께와 표면 밝기 간의 관계식을 제시하여 성공적인 공기층 유지를 위한 기준을 제시했다. 마지막으로, 표면에서 반사되는 빛의 밝기 변화를 정량화 하여 공기층 유지 양상을 유속, 공기 유량, 표면 종류에 따라 4가지 영역으로 분류할 수 있었으며, 본 방법을 실제 선박에 적용했을 때 추가적으로 고려해야 하는 사항들을 이론적으로 분석했다.

Underwater skin-friction drag reduction using the air-lubrication or air pockets trapped on the superhydrophobic (SHPo) surfaces are in the spotlight as the promising method for the large-scale applications. However, they have a clear limitation to make it slower to be extended from the laboratory environment to the reality; a significant air flow rate required for bubble drag reduction and the inevitable depletion of the plastron on the SHPo surface. Here, we combine these two methods to sustain the plastron on SHPo surfaces (both random roughness and longitudinal grooves considered) under the turbulent boundary-layer flow of "5.0×" 〖"10" 〗^"5" " ≤ " 〖"Re" 〗_"L" " ≤ 1.5×" 〖"10" 〗^"6" , by directly injecting air from the bottom of the surface or forcing the bubbles above the surface to spread as air film. By characterizing the condition of air layers on the surface by quantifying the surface brightness, we both theoretically and experimentally prove that the plastron on the surface can be sustained (or even develop to a thin air film) with a very small amount of air, even starting from the Wenzel (fully degassed) state. We estimate the mean plastron thickness through the scaling relation between the effective plastron thickness and the measured surface brightness, which provides a criterion for a successful plastron regeneration; SHPo surface with longitudinal grooves retains the plastron with a less air than the random roughness surface. Finally, we further suggest a plastron replenishment regime depending on the flow velocity, air flow rate, and the type of SHPo surface.