Drag Reduction in Turbulent Taylor-Couette Flow by Using Superhydrophobic Porous Patch

Abstract

초발수 표면은 수중 환경에서 계면에 공기층을 형성하여 마찰 항력을 저감시키는 기술로 주목받고 있다. 대표적인 전략인 3D 구조를 적용한 기술은 공기 포획에는 유리하지만 고속 유동 환경인 난류조건에서는 불안정성에 의해 소실되기 쉽다. 본 연구에서는 초발수 다공성 패치를 제작하여 보유 공기량을 향상시키고 균일한 초발수 특성을 통해 우수한 공기층 유지 성능을 확보한 표면을 제작하였다. 이를 난류 Taylor–Couette 유동에서 정량적으로 마찰 항력 성능을 평가하였다. 난류 유동에서의 공기층 유지와 마찰항력 저감의 상관성을 확인하고 난류 적용 가능성을 분석하였으며 향후 수중 운동체의 에너지 효율 운용 시스템으로의 응용 가능성을 제시하였다.

Superhydrophobic surfaces have attracted considerable interest as a promising drag reduction strategy by forming an air layer at the interface in an underwater environment. Representatively, designing a 3D structure is advantageous for air capture, but it often suffers from instability and air-layer loss under high-speed turbulent conditions. Herein, we report a superhydrophobic porous patch with entangled pore networks that can effectively retain air bubbles while exhibiting uniform superhydrophobicity. We quantitatively evaluated the effect of reducing frictional drag in turbulent Taylor–Couette flow. Our results demonstrate the correlation between air-layer retention and drag reduction under turbulent flow, indicating potential for application in energy-efficient underwater operation systems.