CN102536972A

CN102536972A - 在液体介质中具有增效、减阻功能的动态耦合仿生功能表面

Info

Publication number: CN102536972A
Application number: CN2012100389487A
Authority: CN
Inventors: 田丽梅; 任露泉; 商延赓; 韩志武; 卜兆国; 卢秀泉; 高志桦
Original assignee: Jilin University
Current assignee: Jilin University
Priority date: 2012-02-21
Filing date: 2012-02-21
Publication date: 2012-07-04

Abstract

本发明公开了一种在液体介质中具有增效、减阻功能的动态耦合仿生功能表面，该动态耦合仿生功能表面是由软层表面与硬质基底层组成，硬质基底层加工有仿生非光滑结构，软层表面层是高分子复合弹性膜，高分子复合弹性膜是由高分子聚合物在硬质基底层硫化而成，利用高分子聚合物表面的弹性变形以及高分子复合弹性膜表面与基底材料上面的仿生非光滑形态耦合对液体介质进行动态控制，不需要额外提供能源，从而实现了流体机械增效，节能的目的；本发明在不改变流体机械水力模型、不显著提高成本的前提下，增效节能效果显著，且具有绿色、环保的特点，适宜规模化生产；本发明对高分子复合弹性膜进行硫化，使高分子复合弹性膜与硬质基底层结合牢固而不易脱落。

Description

在液体介质中具有增效、减阻功能的动态耦合仿生功能表面

技术领域

本发明涉及本发明涉及到流体力学、耦合仿生学以及流体机械，特别涉及一种在液体介质中具有增效、减阻功能的动态耦合仿生功能表面。

背景技术

自然界的生物，经过亿万年在各自生存环境中的进化优化，逐渐具有各种与生存环境高度适应的功能特性。生物通过两个或两个以上不同部分的协同作用或不同因素的耦合作用有效地实现生物的各种功能，充分展现对其生存环境的最佳适应性，这种生物耦合现象是生物界普遍存在的，是生物的固有属性，运用工程仿生学的原理与方法，实现某些特定工况下的某些功能，这不仅是工程仿生学的最基本任务，也是众多工程领域的实际需求。

发明内容

本发明的目的是提供一种在液体介质中具有增效、减阻功能的动态耦合仿生功能表面，本发明是在耦合仿生学理论的指导下，在流体机械普遍存在效率低下的前提下，提出的一种全新的运用动态耦合功能表面提高流体机械效率的一种新方法。

本发明的具体目的是提供一种形态/弹性二元仿生耦合功能表面，该形态/弹性仿生耦合功能表面是由软层表面与硬质基底层组成，硬质基底层加工有仿生非光滑形态，软层表面层是高分子复合弹性膜，高分子复合弹性膜是由高分子聚合物在硬质基底层硫化而成，软层表面的硬度值小于硬质基底层的硬度值，并将这种仿生耦合功能表面应用到以液体为工作介质的流体机械上，根据工况不同，应用高分子聚合物表面的弹性变形以及高分子复合弹性膜表面与基底材料上面的仿生非光滑形态耦合对液体介质进行动态控制，不需要额外提供能源，从而实现流体机械增效，节能的目的。与其他提高流体机械效率的方法相比，本发明在不改变流体机械水力模型、不显著提高成本的前提下，增效节能效果显著，且具有绿色、环保的特点，适宜规模化生产。

本发明可选择具体流体机械过流表面作为基底层，加工非光滑表面，高分子聚合物弹性薄膜可直接硫化到流体机械过流表面。

本发明的形成方法如下：

(1)、选择硬质材料作为基底面层，在基底面层上加工出仿生非光滑形态；

(2)、将高分子聚合物采用旋转喷涂法直接涂覆到加工有非光滑形态的基底面层表面上，形成高分子复合弹性膜并与基底层面相结合，形成形态/材料耦合功能表面；

(3)、对步骤(2)形成的形态/材料耦合功能表面进行硫化，然后进行自然冷却。所述的硫化采用常规的硫化工艺。

所述的仿生非光滑形态的加工方法可采用电火花加工，也可利用中介介质采用浇注方法来实现；

所述的仿生非光滑形态，根据实际情况，可选择雨滴型、凹坑型、沟槽型。

所述仿生非光滑形态的尺寸，应根据实际工况和表面高分子复合弹性膜的厚度，进行确定。

对于凹坑型非光滑尺寸，可由凹坑的半径R以及凹坑之间的距离D进行控制，尺寸控制范围选择为凹坑的半径R＝1.5mm～5mm，凹坑之间的间距D＝(1～3)R；

对于截面为三角形的沟槽非光滑形态，其尺寸由三角形的底边长度L，三角形的高度H，以及小沟槽之间的距离D来控制，其中，L＝1.5mm～5mm，H＝(1～1.5)L，D＝(1～3)L；

对于形状为雨滴型非光滑形态，雨滴形状由尺寸半径不同的球体组成，尺寸小的球体的半径r＝1.5mm～5mm，尺寸大球体的半径为R＝(2～5)r，雨滴状非光形态之间的距离以两球体相切的部位之间的距离为准，D＝(2～5)r；

现有的高分子复合弹性膜形成方法是，将高分子聚合物直接喷涂在基底面层上的仿生非光滑形态上形成高分子复合弹性膜，没有硫化的过程，致使高分子复合弹性膜与硬质基底面层的仿生非光滑形态结合的不牢固，高分子复合弹性膜极易脱落。

本发明之方法的特殊之处是：在高分子聚合物直接喷涂在基底面层上的仿生非光滑形态上形成高分子复合弹性膜后，又在温度为70°～120°的条件下对形成的形态/材料耦合表面进行硫化，自然冷却，硫化后，高分子复合弹性膜与硬质基底面层上的仿生非光滑形态结合特别牢固，高分子复合弹性膜不会脱落。

硫化时，高分子复合弹性膜最适宜的厚度是2.1～5.0mm。

所述高分子复合弹性膜的厚度，喷涂完毕，应该使整个耦合表面看起来是光滑的，通过表面高分子复合弹性膜的弹性变形，与液体介质之间的相互作用，完成耦合表面减阻增效的功能，从而实现控制流体的作用。

将动态耦合仿生功能表面应用到清水离心式水泵上，以200QJ50-26型离心式水泵为例，具体说明实施过程，动态耦合仿生功能表面的基底层直接利用水泵叶轮表面来实现即可，水泵叶轮是由铸铁铸造而成，表面高分子复合弹性膜选择聚氨酯预聚体，将混合液采用旋转喷涂法直接涂覆到加工有仿生非光滑形态的水泵叶轮表面上，并在温度为70°～120°的条件下进行硫化，直接将动态耦合仿生功能表面加工到水泵叶轮表面上。

本发明的有益效果：

1、本发明能够通过高分子复合弹性膜与液体介质的相互作用，形成光滑表面，顶部光滑表面弹性变形与基底仿生非光滑结构耦合形成的非光滑表面是一个动态的过程，通过这一动态过程实现对流体的主动控制，进而达到增效、减阻的目的。本发明对流体的主动控制，不需要额外的能源作支撑，节能效果显著。

2、本发明之方法中增加了对高分子复合弹性膜的硫化工艺，使高分子复合弹性膜与硬质基底面层的仿生非光滑形态的结合牢固，而不易脱落。

附图说明

图1是仿生耦合功能表面结构示意图。

图2是当液体流速、流量和压力没有超过表面高分子复合弹性膜弹性变形能力时的仿生耦合功能表面动态耦合原理示意图。

图3是随着流量和压力的增加，表面高分子复合弹性膜产生微变形时的仿生耦合功能表面动态耦合原理示意图。

图4是当流量达到一定程度时，表面高分子复合弹性膜材料与基底材料非光滑结构耦合时的仿生耦合功能表面动态耦合原理示意图。

图5是基底层呈凹坑型非光滑横截面形态及尺寸示意图。

图6是基底层呈楞纹型非光滑横截面形态及尺寸示意图。

图7是基底层呈雨滴型非光滑横截面形态及尺寸示意图。

图8是楞纹型仿生耦合功能表面加工到离心式水泵叶轮背面的示意图。

图9是楞纹型非光滑结构在叶轮的背面的尺寸及布置示意图。

图10是凹坑型仿生耦合功能表面在水泵叶轮表面布置的剖面示意图。

图11是凹坑型非光滑结构在叶轮的侧面的尺寸及布置的示意图。

在图8、图9、图10和图11中：1-楞纹型非光滑结构，2-叶轮的背面，3-高分子复合弹性膜，4-仿生非光滑形态之间的间距，5-凹坑型仿生非光滑形态加工在叶轮的侧板上，6-叶轮的侧板。

图12是仿生耦合功能表面在离心式水泵上应用后的流量-效率对比图。

在图12中：1代表未采用动态耦合仿生功能表面的离心式水泵的流量-效率曲线；2、3和4分别代表采用动态耦合仿生功能表面后，实施例1、实施例2和实施例3的离心式水泵的流量-效率曲线。

图13是仿生耦合功能表面在离心式水泵上应用后的扬程-效率对比图。

在图13中：1代表未采用动态耦合仿生功能表面的离心式水泵的扬程-效率曲线；2、3和4分别代表采用动态耦合仿生功能表面后，实施例1、实施例2和实施例3的离心式水泵的扬程-流量曲线。

具体实施方式

本发明的具体目的是提供形态/弹性二元仿生耦合功能表面，该形态/弹性仿生耦合功能表面。请参阅图1所示，本发明是由软层表面7与硬质基底层8组成，硬质基底层8加工有仿生非光滑形态，软层表面7为高分子复合弹性膜，高分子复合弹性膜是由具有弹性的高分子聚合物在硬质基底层8硫化而成，软层表面7的硬度值小于硬质基底层8的硬度值，并将这种仿生耦合功能表面应用到以液体为工作介质的流体机械上，根据工况不同，应用高分子聚合物表面的弹性变形以及高分子聚合物表面与基底材料上面的仿生非光滑表面耦合对液体介质进行动态控制，图2是当液体流速、流量和压力没有超过表面高分子复合弹性膜材料弹性变形能力时的仿生耦合功能表面动态耦合原理示意图；图3是随着流量和压力的增加，表面高分子复合弹性膜产生微变形时的仿生耦合功能表面动态耦合原理示意图；图4是当流量达到一定程度时，表面高分子复合弹性膜材料与基底材料非光滑结构耦合时的仿生耦合功能表面动态耦合原理示意图，不需要额外提供能源，从而实现流体机械增效，节能的目的。与其他提高流体机械效率的方法相比，本发明在不改变流体机械水力模型、不显著提高成本的前提下，增效节能效果显著，且具有绿色、环保的特点，适宜规模化生产。

本发明的形成方法如下：

(2)、将高分子聚合物采用旋转喷涂法直接涂覆到加工有非光滑形态的基底面层表面上，形成高分子复合弹性膜；

(3)、对步骤(2)形成的高分子复合弹性膜进行硫化，然后进行自然冷却。所述的硫化采用常规的硫化工艺。

硫化时，高分子复合弹性膜最适宜的厚度是2.1～5.0mm。

所述的仿生非光滑形态的加工方法开采用电火花加工，也可利用中介介质进行采用浇注方法来实现；

所述的非光滑形态，根据实际情况，可选择雨滴型、凹坑型、沟槽型。

当高分子复合弹性膜与硬质基底层的仿生非光滑表面完全耦合在一起的时候，其表面仿生非光滑形态的尺寸为0.1-1mm。

所述高分子复合弹性膜的硬度值为邵氏硬度值HA10-HA98或HC8-HC93，所述高分子复合弹性膜的厚度为2.1-5.0mm。

对于凹坑型非光滑形态尺寸，可由凹坑的半径R以及凹坑之间的距离D进行控制，尺寸控制范围选择为凹坑的半径R＝1.5mm～5mm，凹坑之间的间距D＝(1～3)R，其尺寸及形状如图5所示；

对于截面为三角形的沟槽非光滑形态，其尺寸由三角形的底边长度L，三角形的高度H，以及小沟槽之间的距离D来控制，其中，L＝1.5mm～5mm，H＝(1～1.5)L，D＝(1～3)L，其尺寸及形状如图6所示；

对于形状为雨滴型非光滑结构，雨滴形状由尺寸半径不同的球体组成，尺寸小的球体的半径r＝1.5mm～5mm，尺寸大球体的半径为R＝(2～5)r，雨滴状非光形态之间的距离以两球体相切的部位之间的距离为准，D＝(2～5)r，其形状和尺寸如图7所示；

将动态耦合仿生功能表面应用到清水离心式水泵上，以200 QJ50-26型离心式水泵为例，具体说明实施过程，动态耦合仿生功能表面的基底层直接利用水泵叶轮表面来实现即可，水泵叶轮是由铸铁铸造而成，水泵的具体结构如图8、图9、图10和图11所示，其中，1-楞纹型仿生非光滑形态，2-叶轮的背面，3-高分子复合弹性膜，4-仿生非光滑形态之间的间距，5-凹坑型仿生非光滑形态加工在叶轮的侧板上，6-叶轮的侧板；表面弹性薄膜选择聚氨酯预聚体，将氨酯预聚体采用旋转喷涂法直接涂覆到加工有仿生非光滑形态的水泵叶轮表面上，并在温度为70°～120°的范围内进行硫化，直接将动态耦合仿生功能表面加工到水泵叶轮表面上。具体见下述三个实例。

实施例1：

肋条状仿生非光滑形态加工在叶轮的侧面，肋条状非光滑结构的横断面为正三角形，边长为1.5mm，肋条之间的距离为4.5mm，将邵氏硬度为HC21的高分子弹性材料硫化到水泵的叶轮，弹性材料高分子复合弹性膜的厚度为2.1mm，与未采用仿生耦合设计的传统水泵相比，在整个有效流量段内(200QJ50-26型离心式水泵的有效流量段位40m³～60m³)效率均得到提高，效率提高幅度在4％左右，如图12所示，在流量大于55m³时，效率提高5％以上。

实施例2：

凹坑状仿生非光滑形态加工在叶轮的背面，凹坑半径为1.5mm，凹坑之间的间距为3mm，敷有邵氏硬度为A70的PTU材料，PTU材料的厚度为3.5mm，与未采用仿生耦合设计的传统水泵相比，在有效流量段内，效率均得到提高，在流量为60m³，效率提高5％左右，在整个流量段内，扬程均得到提高，如图8和图9所示，尤其是在流量为60m³，扬程提高了1.75m左右，提高幅度达到6.7％。

实施例3：

肋条状仿生非光滑形态，加工在叶轮的背面，肋条的边长为3mm，间距为6mm，敷有邵氏硬度为A50的聚氨酯材料，聚氨酯材料的厚度为5.0mm，与未采用仿生耦合设计的传统水泵相比，在有效流量段内，效率，在流量为60m³时，效率提高了5％，在整个流量段内，扬程均得到提高。

实施例1、实施例2和实施例3的仿生耦合功能表面在离心式水泵上应用后的流量-效率对比如图12所示，在图12中，1代表未采用动态耦合仿生功能表面的离心式水泵的流量-效率曲线；2、3和4分别代表采用动态耦合仿生功能表面后，实施例1、实施例2和实施例3的离心式水泵的流量-效率曲线。

实施例1、实施例2和实施例3的仿生耦合功能表面在离心式水泵上应用后的扬程-效率对比如图13所示，在图13中，1代表未采用动态耦合仿生功能表面的离心式水泵的扬程-效率曲线；2、3和4分别代表采用动态耦合仿生功能表面后，实施例1、实施例2和实施例3的离心式水泵的扬程-流量曲线。

Claims

1.一种在液体介质中具有增效、减阻功能的动态耦合仿生功能表面，其特征在于：是由软层表面与硬质基底层组成，硬质基底层加工有仿生非光滑结构。

2.根据权利要求1所述的一种在液体介质中具有增效、减阻功能的动态耦合仿生功能表面，其特征在于：所述硬质基底层的仿生非光滑形态为雨滴状或凹坑或截面为三角形的沟槽形状。

3.一种在液体介质中具有增效、减阻功能的动态耦合仿生功能表面的形成方法，该方法是：

(2)、将高分子聚合物采用喷涂法直接涂覆到加工有仿生非光滑形态的基底面层表面上，形成高分子复合弹性膜；

(3)、对步骤(2)形成的高分子复合弹性膜进行硫化，然后进行自然冷却。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述的高分子复合弹性膜的厚度为2.1～5.0mm。