Liquid flow over laser-patterned superhydrophobic surfaces

Drag reduction is beneficial in most fluid flow applications. In this thesis, the drag reduction potential of superhydrophobic surfaces fabricated by femtosecond (fs) laser micromachining is investigated under both internal and external flows. As fs laser material interaction is not well understood, its application for the fabrication of textured surface is studied in detail. New surface structures were fabricated on titanium, stainless steel, aluminum, and copper samples. The resulting structures were characterized, and the evolution of structure formation was mapped with two irradiation models, namely the fluence and pulse-per-spot (F-PPS) model and the accumulated fluence profile (AFP) model, consisting of two parameters each. Moreover, the effect of material properties, such as the electron-phonon coupling strength and thermal conductivity, on microstructure formation were identified. The insight, gained through the investigation of fs laser surface texturing, was used to fabricate different hierarchically patterned superhydrophobic surfaces. Hierarchical laser-inscribed regularly patterned surfaces offered greater drag reduction in micro-scale fluid flow compared to the similarly patterned non-hierarchical surfaces. Three different patterns, such as rectangular pillars in a square lattice, grates in the direction of flow, and rhombic pillars in a hexagonal lattice, were compared for their relative drag reduction abilities. While the latter exhibits a more stable Cassie wetting state, it nevertheless results in a lower normalized slip length compared to the other two patterns at a fixed solid fraction. The effect of surface chemistry was studied by coating the patterned samples with a hydrophobic fluoroalkylsilane. The silanized samples provided increased drag reduction compared to the non-silanized samples even though there was no noticeable difference in their dynamic contact angles. Furthermore, measurements of the water penetration depth showed that contact angle measurements are not sufficient to judge the role that surface chemistry plays on drag reduction.In addition to the study of drag reduction over the regularly patterned surfaces, drag on a randomly patterned polytetrafluoroethylene (PTFE) surface was studied for both internal and external flows. The superhydrophobic PTFE reduced drag in both micro-scale and macro-scale internal flows. Slip length on this surface was measured with two different measurement methods, namely through rheometry and pressure differentials. These slip length measurements were further verified by using a semi-analytical model. Terminal velocities of similarly patterned PTFE spheres were measured in three different liquids to study their drag reduction potential in external flow. Unlike the internal flow experiments, however, the superhydrophobic spheres increased drag in external flow both in the viscous and inertial regimes.La réduction de la traînée est bénéfique dans la plupart des applications d'écoulement de fluide. Dans cette thèse, la capacité de réduction de traînée des surfaces superhydrophobes fabriquées par le micro-usinage au laser femtoseconde est étudiée à la fois dans les écoulements internes et externes.Comme la texturation au laser femtoseconde est une technique relativement récente, certains de ses aspects ont besoin d'être approfondis. Pour cela, dans un premier temps, l'application de cette technique pour la fabrication de surfaces superhydrophobes est étudiée en détail. De nouvelles microstructures sont fabriquées sur du titane, de l'acier inoxydable, de l'aluminium, et du cuivre. Les microstructures ainsi fabriquées sont caractérisées, et l'évolution de leur formation est étudiée avec deux modèles, notamment le modèle fluence-nombre d'impulsions par point (F-PPS) et le modèle de profil de fluence accumulée (AFP). En outre, les effets des propriétés du matériau telles que la constante de couplage électron-phonon et la conductivité thermique sur la formation de la microstructure sont identifiés.À micro-échelle, les surfaces hiérarchiques à motifs réguliers réduisent la traînée dans l'écoulement de fluide par rapport aux surfaces non hiérarchiques à motifs similaires. Plusieurs motifs tels que les piliers rectangulaires dans un réseau carré, les grilles dans le sens de l'écoulement, et les piliers en forme de losange dans un réseau hexagonal sont comparés pour leurs capacités relatives de réduction de la traînée. Même si ce dernier type de motif a un état de mouillage Cassie plus stable, il résulte néanmoins d'une longueur de glissement normalisée inférieure par rapport aux deux autres arrangements. L'effet de la composition chimique de surface est étudiée par la silanisation des échantillons. Les échantillons silanisées augmentent la réduction de la traînée par rapport aux échantillons non silanisées même si la différence de leurs angles de contact dynamiques ne sont pas perceptibles. Les mesures de la profondeur de pénétration d'eau ont démontré que les mesures d'angle de contact ne sont pas suffisantes pour juger le rôle que joue la composition chimique sur la réduction de la traînée.La réduction de la traînée sur du polytétrafluoroéthylène (PTFE) téxturé a été mesurée pour l'écoulement interne à la micro- et macro-échelle avec deux méthodes de mesure différentes, à savoir, rhéométrie et mesures de pression. Ces mesures de longueur de glissement ont encore été vérifiées en utilisant un modèle semi-analytique. Les vitesses terminales de sphères de PTFE à motifs similaires ont été mesurées dans trois liquides différents pour étudier leur propriété de réduction de traînée dans l'écoulement externe. Cependant, la surface des sphères a augmenté la traînée dans l'écoulement externe tant au régime visqueux qu'inertiel