微結(jié)構(gòu)表面對(duì)運(yùn)動(dòng)微生物附著影響*

楊紅月，李春曦，王松嶺，李恒凡

(華北電力大學(xué) 動(dòng)力工程系，河北 保定 071000)

防污技術(shù)研究關(guān)系到能源產(chǎn)業(yè)、海洋開(kāi)發(fā)等領(lǐng)域，電網(wǎng)電廠設(shè)備維護(hù)、新能源開(kāi)發(fā)利用[1-2]等均以防污研究為基礎(chǔ).除各類涂層的研究制備外，微結(jié)構(gòu)表面防污技術(shù)也是當(dāng)前的研究熱點(diǎn).海水冷卻電廠的循環(huán)冷卻系統(tǒng)往往因?yàn)樯镂蹞p產(chǎn)生嚴(yán)重堵塞，需要耗費(fèi)大量人力物力進(jìn)行除污，因此能源行業(yè)防污技術(shù)研究具有非常重要的意義[3].

Rajab等[4-5]發(fā)現(xiàn)細(xì)菌更傾向于附著在微結(jié)構(gòu)的凹槽中，他認(rèn)為細(xì)菌會(huì)由自身重力作用沉降在表面結(jié)構(gòu)底部，且底部會(huì)提供較大的接觸面積，凹槽側(cè)壁面會(huì)保護(hù)細(xì)菌免受水流影響，不易于脫附.Shaikh[6]使用飛秒激光進(jìn)行表面改性后增加了粗糙度和濕潤(rùn)性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，其表面具有抗菌與降低生物膜形成的效果.武漢理工大學(xué)白秀琴等[7-9]將鏡蛤殼體的微觀結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為棱紋表面，并根據(jù)螃蟹表面100 μm左右的凸起及凸起頂端更細(xì)微的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了6種不同大小間距的圓柱狀凸起.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)的仿生表面均有防污減阻的效果，間距為4和7 μm的微結(jié)構(gòu)防污效果最優(yōu)[10].Wang等[11]對(duì)貝殼、海星等表面進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)這些生物表面分布著幾微米至幾十微米的溝槽或凸起，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相比光滑表面，仿海星微結(jié)構(gòu)的表面具有較好的防污性能.Won[12]對(duì)不同尺寸的棱形條紋圖案進(jìn)行了數(shù)值模擬，比較不同雷諾數(shù)下顆粒在棱鏡結(jié)構(gòu)中沉積情況.Jung等[13]模擬了膠體顆粒物在具有脊?fàn)顖D案膜表面的沉積情況.隨著雷諾數(shù)的增加，微結(jié)構(gòu)膜表面附近形成了懸浮顆粒無(wú)法通過(guò)流動(dòng)進(jìn)入的“不可接近區(qū)”，從而減少顆粒沉積.Bin等[14]比較了復(fù)合結(jié)構(gòu)分層微柱和非分層微柱的防污情況，模擬結(jié)果顯示復(fù)合分層微柱上具有更高流速和剪切應(yīng)力.

本文采用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)模擬微生物在近壁區(qū)運(yùn)動(dòng)情況，對(duì)微結(jié)構(gòu)附近流體特性進(jìn)行分析，評(píng)估不同微結(jié)構(gòu)模型的防污效果，更有利于揭示微結(jié)構(gòu)防污性能和機(jī)理，為后續(xù)各類防污表面的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供支撐.

1 研究方法

1.1 模型參數(shù)及邊界條件

假設(shè)流體在微通道內(nèi)做平行于表面的層流運(yùn)動(dòng)，通道內(nèi)表面均為無(wú)滑移表面.微生物可在平行于表面方向自由運(yùn)動(dòng)，則以下采用二維模擬進(jìn)行分析.微生物模型簡(jiǎn)化為直徑為5 μm的球形，通道長(zhǎng)L=500 μm，高度H=300 μm.為消除入口和出口段對(duì)流體狀態(tài)的影響，在通道入口與出口段設(shè)置一定長(zhǎng)度的光滑表面.采用動(dòng)網(wǎng)格對(duì)運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行模擬，微生物平均運(yùn)動(dòng)速度采用Darnton等[15]的研究結(jié)果3×10-5m/s，通道內(nèi)流場(chǎng)計(jì)算參照Halder等[16]所做實(shí)驗(yàn)中流體的低速流動(dòng)，雷諾數(shù)為0.436，入口處自左向右來(lái)流v0=0.002 m/s，出口端為自由流，故忽略了微生物重力的作用.

本文建立5種含不同尺寸微坑的微結(jié)構(gòu)表面，記為Micro pit(Mp)，其中微脊寬度為a=2 μm，微坑深和寬分別為h、s，5種微坑尺寸參數(shù)如表1所示.表面上方不同高度測(cè)量位置為dc.本文采用以下無(wú)量綱參數(shù)：微坑高寬比β=h/s，歸一化位置參數(shù)xe、ye，剪切應(yīng)力梯度τ表示各點(diǎn)處剪切應(yīng)力變化率.

表1 微結(jié)構(gòu)表面微坑尺寸Tab.1 Micro-pit size on surface of microstructure μm

1.2 控制方程與計(jì)算方法

流體區(qū)域連續(xù)并在同一速度場(chǎng)內(nèi)，因此基于連續(xù)介質(zhì)假設(shè)的控制方程仍適用.計(jì)算中設(shè)定水的密度和粘度均為常數(shù)，求解定常層流流動(dòng)，并忽略重力影響.流體計(jì)算中的連續(xù)性方程和動(dòng)量方程仍然適用.采用Fluent軟件二維雙精度求解器，速度和壓力采用Simple耦合，動(dòng)量方程采用二階迎風(fēng)格式離散.非穩(wěn)態(tài)模型時(shí)間步長(zhǎng)為0.01 s，當(dāng)各方向速度等參數(shù)的殘差均小于10-6時(shí)，則計(jì)算結(jié)果視為收斂.

2 表面流動(dòng)特性對(duì)微生物附著影響

2.1 表面結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)附著效果影響

假定微生物從微脊處開(kāi)始以3×10-5m/s的速度分別進(jìn)行順流向、逆流向運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)過(guò)程中由于表面的粘滯作用及邊界層效應(yīng)，不同尺寸微結(jié)構(gòu)附近及微坑內(nèi)部流體流動(dòng)特性、表面剪切應(yīng)力存在差異，對(duì)微生物附著產(chǎn)生影響.

圖1為6種壁面上方0.1 μm處平均速度.在光滑表面上流動(dòng)緩慢且速度變化平緩，微生物運(yùn)動(dòng)可忽略流動(dòng)干擾，為微生物沉降和生長(zhǎng)提供了有利條件.其他微結(jié)構(gòu)均有較大速度波動(dòng)，從而影響微生物附著達(dá)到防污效果，這與Halder等[16]的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果相符，即非仿生幾何形狀表面具備形成良好微流控條件的封閉模式，對(duì)防污效果更為有利.

圖1 不同壁面平均速度分布(dc=0.1 μm)Fig.1 Average velocity distribution above different walls (dc=0.1 μm)

圖2為順流向時(shí)微坑內(nèi)中間位置xe=0.5處沿y方向速度分布.Mp2速度分布與層流類似，其速度矢量圖中未發(fā)現(xiàn)旋渦流動(dòng)；其余結(jié)構(gòu)微坑底部均有x方向逆流動(dòng)，表明微坑中有渦流存在.Mp4、Mp5速度分布相近，Mp3在微坑底部速度分布與Mp1相近.在微坑上半部速度快速增大，到達(dá)微坑頂端時(shí)，與Mp4、Mp5流速相當(dāng)，表明h對(duì)微坑上部流速影響較大，微坑內(nèi)渦流形態(tài)受β影響較大.

圖2 微坑中間位置速度分布(xe=0.5)Fig.2 Velocity distribution in middle positions of micro-pits (xe=0.5)

Rosenhahn等[17]研究表明，藻類孢子在某處的旋轉(zhuǎn)作用決定了永久附著的粘附強(qiáng)度，因此微坑中的低速渦流為微生物在微坑中附著創(chuàng)造了有利條件.微坑中間區(qū)域由于渦旋存在，速度逐漸減小到0，微生物進(jìn)入微坑，渦旋中低流速區(qū)域越靠近微坑底部，則附著越容易發(fā)生.雖然微生物在微坑中可能隨渦流或?qū)恿鞅粠ё?，但由于微坑?nèi)流量較小，存在使微生物被截留在微坑底部邊緣或拐角處的情況.

2.2 入口流速對(duì)附著效果影響

圖3為不同流速在Mp1微坑內(nèi)y方向速度分布.由圖3可以看出，微坑中渦流速度隨入口流速v0增大而增大.當(dāng)β值固定時(shí)，微坑中渦流流速會(huì)隨入口流速增加而增加，但入口流速對(duì)微坑內(nèi)低流速區(qū)域位置無(wú)明顯影響.

圖3 在不同入口速度下微坑內(nèi)速度分布(xe=0.5)Fig.3 Velocity distribution in micro-pits at different entrance velocities (xe=0.5)

3 微結(jié)構(gòu)表面剪切應(yīng)力對(duì)附著影響

較高的剪切應(yīng)力將增大微生物從表面分離的可能性，Lee等[18]通過(guò)對(duì)棱鏡形表面的防污性能進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)：棱鏡結(jié)構(gòu)在CFD模擬中顯示出高剪切應(yīng)力.因此，高剪切應(yīng)力和剪切應(yīng)力波動(dòng)可以作為研究微生物附著的重要參數(shù).

3.1 微結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)附著效果影響

圖4為微結(jié)構(gòu)上方0.1 μm處剪切應(yīng)力梯度分布情況.由圖4可以看出，剪切應(yīng)力的快速變化僅集中在微脊，尤其是臺(tái)階處，而光滑壁面梯度幾乎為0.微脊中間區(qū)域和光滑壁面剪切應(yīng)力梯度τ相近，因此，微脊寬度的增加會(huì)為微生物附著提供可能.

圖4 微結(jié)構(gòu)表面剪切應(yīng)力梯度Fig.4 Shear stress gradient of microstructural surfaces

3.2 運(yùn)動(dòng)狀態(tài)對(duì)附著效果影響

圖5 不同流向剪切應(yīng)力梯度Fig.5 Shear stress gradient in different flow directions

3.3 微坑內(nèi)剪切應(yīng)力分布影響

圖6、7分別為微坑內(nèi)流體流入、流出側(cè)壁面y方向剪切應(yīng)力分布.受微坑內(nèi)摩擦阻力影響，出口側(cè)剪切應(yīng)力低于入口.比較5種微結(jié)構(gòu)可以得到：Mp1微坑內(nèi)剪切應(yīng)力最大，左右兩側(cè)剪切應(yīng)力相差最小，這使得Mp1微坑內(nèi)側(cè)壁面剪除掉附著生物的可能性最高.其他尺寸出口側(cè)壁面剪切應(yīng)力顯著減小，當(dāng)微生物隨微坑內(nèi)渦流運(yùn)動(dòng)碰撞壁面后，可能因動(dòng)量減小在壁面附著.

圖6 微坑入口側(cè)壁面剪切應(yīng)力Fig.6 Shear stress of side wall at entrance of micro-pits

圖7 微坑出口側(cè)壁面剪切應(yīng)力Fig.7 Shear stress of side wall at outlet of micro-pits

4 結(jié) 論

本文建立了5種不同尺寸的矩形微坑表面，并采用CFD技術(shù)模擬直徑為5 μm的球形藻在近壁區(qū)順流向、逆流向的運(yùn)動(dòng)情況.通過(guò)考察不同微結(jié)構(gòu)上方和微坑內(nèi)流速分布、剪切應(yīng)力分布、剪切應(yīng)力梯度等情況，分析對(duì)微生物附著和脫落的影響，得到以下結(jié)論：

1) 微結(jié)構(gòu)表面流體速度明顯高于光滑表面，且呈現(xiàn)周期性波動(dòng)，使得微結(jié)構(gòu)表面速度梯度變化頻繁(光滑表面則近似為0).5種模型(0.4≤β≤1)模擬結(jié)果顯示，β越小，微坑內(nèi)越難以形成渦旋；β越大，微坑內(nèi)渦旋低流速區(qū)域越靠近微坑表面.由于上層流體發(fā)生滑移位置接近微脊，因此β越大，微生物越難以深入微坑形成附著.

2) 微脊處剪切應(yīng)力和剪切應(yīng)力梯度隨微坑深度、寬度的增加而增大.模擬結(jié)果顯示，微脊臺(tái)階處速度和剪切應(yīng)力均發(fā)生較大變化，且不利于附著.當(dāng)微生物尺寸小于微結(jié)構(gòu)，可在進(jìn)入微坑后隨內(nèi)部渦流與壁面發(fā)生碰撞，進(jìn)而在扭結(jié)位形成接觸或附著.Mp1微坑內(nèi)兩側(cè)壁面剪切應(yīng)力顯著高于其他尺寸微坑，這使得進(jìn)入其內(nèi)部的微生物難以深度附著，其他微結(jié)構(gòu)在流出側(cè)壁面剪切應(yīng)力顯著小于流入側(cè)，微生物容易隨渦流沉積在微坑流出側(cè)形成聚集.