CN102689459B - 一种减阻降噪沟槽贴膜及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种减阻降噪沟槽贴膜及其制备方法，属于机械工程表面处理技术与流体动力学技术领域。其特征在于，沟槽贴膜的上表面加工有垂直于流向的沟槽形貌单元，下表面带有胶层，用于贴敷航行体表面。在空气介质中以亚音速航行的航行体表面贴敷沟槽贴膜，可显著改善固/气界面的近壁面流场特性，有效降低壁面摩擦阻力和气动噪声。减阻降噪沟槽贴膜的制备是通过热压成型的方式实现的。减阻降噪沟槽贴膜技术，可用于解决高速列车、商用飞机等高速航行体在运行时的减阻及降噪问题，且具有经济、实用、易于产业化等特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种减阻降噪沟槽贴膜及其制备方法，可用于降低在空气介质中运动的航行体的表面摩擦阻力和气动噪声，属于机械工程表面处理技术与流体动力学技术领域。
背景技术
飞机、高速列车等在空气介质中运行的高速航行体，其主要能耗是用来克服航行过程中的空气阻力，该阻力主要由表面摩擦阻力和压差阻力等组成，其中摩擦阻力占较大份额；此外，表面摩擦阻力的出现，还会引起气动噪声等问题。因此，减小航行体在行进过程中的摩擦阻力，不仅有助于提高航行体的航速和航程，节约能源消耗，还可有效降低航行体行进过程中的气动噪声。
随着航空工业的不断发展以及能源短缺问题的日益突出，对减小飞机阻力问题的研究变得尤为迫切。截止目前，已形成气动外形优化、表面修形等多种减阻技术手段。其中，表面修形技术可在不改变飞机外形结构和气动布局的情况下减小飞机阻力，且使用方便、维护简单，极具发展前景。
沟槽贴膜减阻技术，是近年来表面修形减阻技术研究中提出的一个新概念，已逐渐发展成为一种独特的气动减阻措施。所谓减阻贴膜是一种特殊的塑料薄膜，其表面带有无数条微细沟槽，底面带有胶层，根据空气动力学的要求将其贴敷于飞机外表面的有关部位，从而起到减小阻力的效果。
美国3M公司曾花费多年时间研发沟槽贴膜减阻技术，并为多个研究机构和航空公司提供不同规格的减阻贴膜，用于试验研究及飞行试验应用。当前，该减阻方法仍沿用顺流向沟槽减阻理论与技术，即所制备的微细沟槽是沿流向方向均匀分布的，其理论核心是通过使层流到紊流的转捩点后移来降低摩擦阻力。理论计算与试验结果表明，顺流向沟槽减阻技术的最大减阻率为8％。欧洲空客公司在A320试验机上的验证结果表明，顺流向沟槽贴膜可节油1％～2％，实际减阻节能效果十分有限。
高速铁路在发展过程中，同样面临着减阻问题。减少空气阻力已成为高速列车研制过程中急需开展攻关的关键问题之一。这一关键问题直接影响到高速列车研制进度、运行的安全性、舒适性、环保性与经济性。目前，相关研究机构主要考虑并尝试以高速列车头型优化设计和车体外露部件优化等措施来减小高速列车运行时的空气阻力。上述技术手段虽可在一定程度上降低高速列车在空气介质中运行时的压差阻力，但无法有效减小占据较大份额的表面摩擦阻力。因此，若能通过沟槽贴膜等表面修形技术，改善车体表面的近壁面流场特性，进而减小固/气壁面剪切所造成的表面摩擦阻力，则可在现有减阻措施的基础上进一步优化高速列车的气动性能，有效降低其运行过程中的空气阻力和气动噪声。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种减阻降噪沟槽贴膜及其制备方法。该沟槽贴膜可在不改变航行体外形结构的情况下，有效减小航行体进行时的表面摩擦阻力，有利于提高航行体的航速和航程，降低能源消耗；此外，采用沟槽贴膜技术在减小表面摩擦阻力的同时，还可有效抑制气动噪声。该沟槽贴膜技术，不仅具有减阻降噪的效果，还易于工程实现，有望用于解决飞机、高速列车等高速航行体在运行过程的空气阻力问题与气动噪声问题。
本发明的技术方案如下：
一种具有减阻降噪效果的展向沟槽贴膜，其特征在于：该沟槽贴膜由上表面带有三角形沟槽形貌单元的聚合物薄膜表层(1)、中间胶层(2)和防粘底层(3)等三部分组成，如图1所示。
进一步地，带有三角形沟槽形貌单元的聚合物薄膜表层(1)，其特征在于三角形沟槽形貌单元在聚合物薄膜表层沿垂直于流向方向等间距均匀分布。如图2所示，沟槽深度h为10～50μm，三角形沟槽顶角α的范围为60°～120°，沟槽形貌单元的周期λ为30～530μm。
本发明中展向沟槽贴膜的有益效果是：根据空气动力学的要求，将所述的展向沟槽贴膜贴敷于在空气介质中运动的航行体表面，可以显著改善固/气界面的近壁面流场特性，有效降低航行体进行时中的表面摩擦阻力。此外，固/气界面强烈的空气剪切是航行体高速运行时壁面噪声产生的重要原因，通过壁面展向沟槽，在沟槽内形成微漩涡流动，实现近壁面空气流动与沟槽内微漩涡能量的有效传递，还可以有效降低固/气界面空气剪切作用的强度，进而降低航行体高速运行时壁面产生的气动噪音。
此外，本发明还提供了一种制备所述的展向沟槽贴膜的方法，其特征在于该方法按如下步骤进行：
(1)、采用机械加工或激光加工等工艺，在金属辊表面加工出具有特定几何尺寸的、等间距分布的三角形突起形貌单元，制成形貌辊，如图3所示。
(2)、如图4所示，将步骤1所述的金属形貌辊与橡胶光辊组成对辊，采用热压成型的方式，在薄膜不干胶基础材料的薄膜表层压制出具有三角形沟槽形貌的几何结构，制成沟槽贴膜。
本发明所述的一种展向沟槽贴膜的制备方法，具有简单易行、成本低廉、制造周期短、环境友好等显著特点，适于规模化生产，有着良好的工程应用前景。
附图说明
图1为展向沟槽贴膜的组成示意图；
图2为贴膜表层三角形沟槽形貌单元的结构示意图；
图3为形貌辊表面三角形突起形貌单元的结构示意图；
图4为展向沟槽贴膜的热压成型过程示意图。
具体实施方式
本发明具有减阻降噪效果的展向沟槽贴膜，由聚合物薄膜表层、中间胶层和防粘底层等三部分组成。其中，聚合物薄膜表层表面沿垂直于流向方向等间距均匀分布有微米量级的三角形沟槽形貌单元，如图1所示。三角形沟槽形貌单元的沟槽深度h为10～50μm，三角形沟槽顶角α的范围为60°～120°，沟槽形貌单元的周期λ为30～530μm，如图2所示。
本发明中的展向沟槽贴膜，可以通过热压成型的方式进行制备：首先，采用机械加工或激光加工等工艺，在金属辊表面加工出如图3所示的具有特定几何尺寸的、等间距分布的三角形突起形貌单元，制成形貌辊。然后，将该金属形貌辊与橡胶光辊组成对辊，对辊之间的压力由受压弹簧调节，采用电加热的方式在金属形貌辊及橡胶光辊内部进行加热。如图4所示，将薄膜不干胶基础材料以一定速度输送至对辊，并合理控制对辊表面温度及压力，聚合物薄膜在对辊作用下发生热压变形，最终在薄膜表层压制出具有三角形沟槽形貌的几何结构，制成沟槽贴膜。
按照上述方法制备的展向沟槽贴膜，可根据空气动力学的要求贴敷于在空气介质中运动的航行体表面，沟槽贴膜上的三角形沟槽形貌可显著降低固/气界面之间的壁面剪切速率和壁面剪切力，有效改善固/气界面的近壁面流场特性，从而达到大幅度降低表面摩擦阻力和气动噪声的目的。
下面结合实例对所提出的具有减阻降噪效果的展向沟槽贴膜及其制备方法做进一步的详细说明。
实施例1
采用机械加工方式加工出金属形貌辊，形貌辊表面等间距均匀分布有三角形突起形貌，三角形突起形貌单元的高度h为90μm，顶角α为87°，周期λ为510μm。将该金属形貌辊与橡胶光辊组成对辊，采用热压成型的方法在薄膜不干胶基础材料上压制三角形沟槽形貌。所压制出的三角形沟槽形貌单元的深度h为49μm，顶角α为120°，周期λ为510μm。将所制备的上述沟槽贴膜去除防粘底纸后，按照空气动力学的要求沿垂直于流向方向贴敷在航行体表面，在0.4倍音速的航行速度下，可有效降低航行体表面的摩擦阻力达45.6％。
实施例2
采用机械加工方式加工出金属形貌辊，形貌辊表面等间距均匀分布有三角形突起形貌，三角形突起形貌单元的高度h为18μm，顶角α为36°，周期λ为35μm。将该金属形貌辊与橡胶光辊组成对辊，采用热压成型方式压制展向沟槽贴膜。所压制出沟槽贴膜的三角形沟槽形貌单元的深度h为10μm，顶角α为60°，周期λ为35μm。将该沟槽贴膜按照空气动力学的要求贴敷在航行体表面，在0.2倍音速的航行速度下，航行表面的摩擦阻力下降18.7％，气动噪声降低2.0dB。
Claims (1)
1.一种减阻降噪沟槽贴膜，该沟槽贴膜由上表面带有三角形沟槽形貌单元的聚合物薄膜表层(1)、中间胶层(2)，防粘底层(3)三部分组成，其特征在于，所述沟槽贴膜的表层带有微米级三角形沟槽形貌单元，所述微米级三角形沟槽形貌单元在聚合物薄膜表层沿垂直于流向方向等间距均匀分布，沟槽深度h为10～50μm，三角形沟槽顶角α的范围为60°～120°，沟槽形貌单元的周期λ为30～530μm。
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