CN105206143B - 基于润湿性调控的气膜减阻模型及其制作方法 - Google Patents

Abstract

一种基于润湿性调控的气膜减阻模型，气膜减阻模型的气膜减阻层由多块亲水区域和多块超疏水区域组成，并且所述各亲水区域和各超疏水区域呈相间排布；所述各亲水区域的本征接触角小于42°，所述各超疏水区域的本征接触角大于165°。与超空化减阻相比，本发明能耗更少，加工难度和成本较低；与通气气膜减阻相比，一次性的微量通气即可维持气膜，且对航行体的形状没有限制，对水面舰船和水下航行器均适用。与超疏水表面减阻相比，本发明能够稳定的维持气膜，实现了减阻效果的持续性和有效性。同时，本发明通过对模型表面亲疏水区域分布形状和面积，以及气膜厚度的调节，实现不同的减阻效果，有利于实际工程应用。

Description

基于润湿性调控的气膜减阻模型及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种水下减阻方法，特别是涉及一种基于固体表面润湿性调控的气膜减阻方法，属于减阻技术领域。

背景技术

水面舰船、水下航行体所受阻力主要包括压差阻力、兴波阻力及摩擦阻力，其中摩擦阻力占最主要部分，约占总阻力的50％—80％。因此，降低表面摩擦阻力，对于提高水面舰船及水下航行体的航速，增加其航程有着重要的实际意义；对于节约航运过程中的能源消耗也具有重要的经济意义。因气体的粘度要远小于水，人们开始尝试在水下构筑稳定的气相结构来实现减阻，这样，液固界面就被气固界面部分或全部取代，从而大幅降低阻力。发明专利《超空化气液多相喷水推进器》(申请号：200610127927.7)和《水下高速航体通入过热蒸汽致超空化的方法和装置》(申请号：200610026224.5)分别利用叶轮和热蒸汽的方法，在航行体上产生超空化来维持气相结构的存在，但成本和能耗较高，且气相结构维持的时间有限，实际应用的难度较大；发明专利《气膜减阻高速船》(申请号：200710038322.5)利用风机向凹形船底输入空气形成薄膜空气层，但该方法只适用于水面舰船，且船底必须为凹形，对于水下航行体减阻并不适用；发明专利《一种减阻超疏水涂层及其制备方法》(申请号：201110396837.9)利用无电金属沉积技术在基底上构筑了微纳米二元分级结构使固体表面达到超疏水，从而实现水下减阻，但该方法成本较高，技术复杂，适用的流速范围较窄，且减阻效果容易因气膜流失而失效。

发明内容

为克服现有技术中存在的适用的流速范围较窄，且减阻效果差的不足，本发明提出了一种基于润湿性调控的气膜减阻模型。

本发明中的气膜减阻模型为平板状或圆柱形；所述平板状气膜减阻模型的上表面为减阻层，所述圆柱形气膜减阻模型的外圆周表面为减阻层；所述气膜减阻层由多块亲水区域和多块超疏水区域组成，并且所述各亲水区域和各超疏水区域呈相间排布；所述各亲水区域的本征接触角小于42°，所述各超疏水区域的本征接触角大于165°。

所述平板状气膜减阻模型上表面的减阻层为由四边形、或者六边形、或者三角形、或者圆形组成的网格状。

所述平板状气膜减阻模型包括上层铝板1和下层铝板，并且在所述上层铝板和下层铝板之间有气室。

在所述各超疏水区域的几何中心均有通气孔，并使各通气孔与气室贯通。在所述下层铝板的几何中心有一个气孔，该气孔通过通气管道与微量注射泵连通。

所述圆柱形气膜减阻模型包括圆柱形转子和转轴，并且该圆柱形转子的外圆周表面为减阻层；所述减阻层由多块环状的亲水区域和多块环状的超疏水区域组成，并且所述各亲水区域和各超疏水区域沿圆柱形转子的轴向相间排布。

本发明还提出了一种制备所述基于润湿性调控的气膜减阻模型的方法，具体过程是：

步骤1，制作气膜减阻模型基体。制作气膜减阻模型基体时，若所述气膜减阻模型基体为平板状，将两块铝板焊接，并使两块铝板相邻表面之间形成气室；在设计确定的上层铝板上表面的各超疏水区域的几何中心加工通气孔；在下层铝板的几何中心加工气孔；若所述气膜减阻模型基体为圆柱形，转轴固定在圆柱形转子的上端面中心。

步骤2，表面清洗：利用去离子水和丙酮将所述减阻层区域清洗干净。

步骤3，粘贴胶带：在设计确定的亲水区域上粘贴隔离带。

步骤4，喷涂超疏水材料：使用常规的喷涂方法将超疏水材料涂覆到所述减阻层区域表面，喷涂厚度为20μm。喷涂后放置30～60min，使喷涂的超疏水材料凝固，得到减阻层表面的超疏水区域。

步骤5，去除隔离带：将超疏水材料凝固后的隔离带去除，使原被隔离带覆盖的亲水表面露出，形成了减阻层表面的亲水区域，并且所述亲水区域与所述超疏水区域相间排布。

步骤6，连接微量注射泵。

本发明根据不同润湿性表面交界处会产生较大接触角滞后的理论，提出了亲疏水相间的表面结构。该结构利用亲疏水表面上表面张力的差异来阻挡超疏水表面上气体被水流带走，能够实现气膜在超疏水表面上的稳定驻留，从而达到显著减阻效果。与超空化减阻相比，本发明能耗更少，加工难度和成本较低；与通气气膜减阻相比，本发明不需要长时间连续通气，仅一次性的微量通气即可维持气膜，且对航行体的形状没有限制，对水面舰船和水下航行器均适用；与超疏水表面减阻相比，本发明能够稳定的维持气膜，实现了减阻效果的持续性和有效性，同时，本发明通过对模型表面亲疏水区域分布形状和面积，以及气膜厚度的调节，能够实现不同的减阻效果，有利于实际工程应用。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1.本发明利用亲疏水边界上的接触角滞后特性，通过在模型表面构筑亲疏水相间的网格结构，实现了模型表面气膜在水流冲刷下的稳定维持，解决了现有技术中气膜的流失问题，达到水下显著、稳定、持久减阻的效果。

2.本发明采用隔离带的方法来制作模型表面上亲疏水相间的网格结构，操作简单易行，可控性较好，实用性强，应用前景广阔。

3.本发明利用气体微量注射的方法来形成可控厚度的气膜层，能源消耗少，控制精确，操作简便，有利于实现减阻效果的人工控制。

通过实验证明，利用亲疏水边界上的接触角滞后特性，能够实现气膜在所述亲疏表面上的稳定驻留。如图3所示，在平板模型上的各超疏水区域上方驻存有稳定的气膜，且经过1m/s水流持续冲刷1h后，所述气膜无明显变化，有效减小了平板与水直接接触的面积。正是由于模型表面一部分区域与水流之间被低粘度、低密度的气体所隔离，从而能减小壁面切应力，显著降低模型阻力。反复阻力测试发现，1m/s水速时所述有稳定气膜的平板模型的减阻量达21.6％，1.5m/s时减阻量达14.3％；如图5所示，圆柱转子模型表面上能驻留稳定、持久的气膜，且所述圆柱转子模型外圆周表面的气膜呈轴对称的类轮胎型分布。如图6所示，当所述圆柱转子模型围绕其中心轴在水下匀速旋转时，具有最大超过60％的稳定减阻量，且减阻量随所述气膜平均厚度h以及圆柱转子模型旋转速度而变化。所述的图6为实验测试结果，其中，曲线a表示气膜平均厚度h＝1.09mm时减阻量随旋转速度的变化规律，曲线b表示气膜平均厚度h＝0.90mm时减阻量随旋转速度的变化规律，曲线c表示气膜平均厚度h＝0.72mm时减阻量随旋转速度的变化规律，曲线d表示气膜平均厚度h＝0.36mm时减阻量随旋转速度的变化规律，曲线e表示气膜平均厚度h＝0.18mm时减阻量随旋转速度的变化规律，而曲线f则表示气膜平均厚度h＝0.0mm时减阻量随旋转速度的变化规律。

附图说明

图1为平板模型主视图。

图2为平板模型A-A向剖视图。

图3为平板模型气膜驻留效果图。

图4为圆柱转子模型结构图。

图5为圆柱转子模型气膜驻留效果图。

图6为圆柱转子模型减阻量随转速的变化曲线，其中：曲线a的气膜厚度h＝1.09，

曲线b的气膜厚度h＝0.9，曲线c的气膜厚度h＝0.72，曲线d的气膜厚度h＝0.36，曲线e的气膜厚度h＝0.18，曲线f的气膜厚度h＝0。

图中标记名称：

1.上层铝板；2.超疏水区域；3.亲水区域；4.通气孔；5.气室；6.通气管道；7.微量注射泵；8.气膜；9.转轴；10.圆柱形转子；11.针头；12.下层铝板。

具体实施方式

实施例1

本实施例是一种基于润湿性调控的气膜减阻模型。

所述的气膜减阻模型为平板状，包括上层铝板1和下层铝板12，并且在所述上层铝板和下层铝板之间有气室5。所述上层铝板的本征接触角为42°。

所述气膜减阻模型的上层铝板1的上表面为减阻层。所述减阻层由多块亲水区域3和多块超疏水区域2组成，并且所述各亲水区域和各超疏水区域相间排布，使减阻层呈网格状；所述的网格状为四边形，或者六边形，或者三角形，或者圆形；本实施例中，所述为网格状为四边形。

如图1所示。所述各亲水区域的本征接触角为42°，所述各超疏水区域的本征接触角为165°。在所述各超疏水区域的几何中心均有通气孔4，并使各通气孔与气室5贯通。所述通气孔的孔径为0.6mm。

在所述下层铝板12的几何中心有一个气孔，该气孔通过通气管道6与微量注射泵7连通。

本实施例提出的制作所述基于润湿性调控的气膜减阻模型的具体过程是：

步骤1，制作气膜减阻模型基体。按要求将两块铝板焊接，并使两块铝板相邻表面之间形成气室5。在设计确定的上层铝板1上表面的各超疏水区域的几何中心加工通气孔4；在下层铝板12的几何中心加工气孔。

步骤2，表面清洗：利用去离子水和丙酮将所述上层铝板1的表面清洗干净。

步骤3，粘贴胶带：在设计确定的亲水区域3上粘贴隔离带，所述隔离带为市售的胶带。本实施例中，亲水区域的隔离带宽度为1mm。

步骤4，喷涂超疏水材料：使用常规的喷涂方法将超疏水材料涂覆到上层铝板1表面，喷涂厚度为20μm。喷涂后放置30～60min，使喷涂的超疏水材料凝固，得到上层铝板表面的超疏水区域。本实施例中，放置30min；所述的超疏水材料为市售。

步骤5，去除隔离带：将超疏水材料凝固后的上层铝板1表面的隔离带去除，使原被隔离带覆盖的上层铝板的亲水表面露出，形成了上层铝板的亲水区域，并且所述亲水区域与所述超疏水区域相间排布。本实施例中，亲水区域3宽度为1mm，超疏水区域2为20×40mm。

步骤6，将位于下层铝板几何中心的气孔与微量注射泵7密封连接。

当减阻层的网格为其它形状时，其制作方法与本实施例相同，仅粘贴的隔离带的粘贴形状不同。

使用时，将气膜减阻模型浸入水下，利用微量注射泵7向气室5通气，则空气会从各通气孔4处流出，由于超疏水表面具有亲气的特性，空气会附着到超疏水区域2，并形成气膜8。本实例中，各超疏水区域2的通气量均为2.0ml。由于亲水区域3的存在，在亲疏水表面的交界处会产生较大的接触角滞后特性，因此，气膜8难以被流动带走，能够维持稳定。即使在突发高流速冲刷下气膜8被带走后，也可以通过利用微量注射泵7补充气体来恢复所述模型的减阻性能。正是由于所述气膜8的稳定存在，使得上层铝板1的一部分区域与水流之间被低粘度、低密度的气体所隔离，而不直接接触，从而减小了壁面切应力，降低了模型阻力。通过测试发现，如图3所示，该方法能够在平板表面上形成大面积的稳定气膜，并测得所述模型在1m/s水速时减阻量达21.6％，在1.5m/s时减阻量则为14.3％。同时，通过通气量的控制，可以调节气膜8的厚度，还能够进一步调节减阻效果。

实施例2

本实施例是一种基于润湿性调控的气膜减阻模型。

所述的气膜减阻模型为圆柱形，包括圆柱形转子10和转轴9。所述圆柱形转子10表面的本征接触角为42°。

所述圆柱形转子10的外圆周表面为减阻层。所述减阻层由多块环状的亲水区域3和多块环状的超疏水区域2组成，并且所述各亲水区域和各超疏水区域沿圆柱形转子10的轴向相间排布。

如图4所示。所述各亲水区域的本征接触角为42°，所述各超疏水区域的本征接触角为165°。

本实施例提出的制作所述基于润湿性调控的气膜减阻模型的具体过程是：

步骤1，制作气膜减阻模型基体。按设计要求加工圆柱形转子10和转轴9。将转轴9焊接于圆柱形转子10的上端面圆心处，且使圆柱形转子10和转轴9同轴。

步骤2，表面清洗：利用去离子水和丙酮将所述圆柱形转子10的外圆周表面清洗干净。

步骤3，粘贴胶带：在设计确定的亲水区域3上粘贴隔离带，所述隔离带为市售的胶带。本实施例中，亲水区域的隔离带宽度为1mm。

步骤4，喷涂超疏水材料：使用常规的喷涂方法将超疏水材料涂覆到圆柱形转子10的外圆周表面，喷涂厚度为20μm。喷涂后放置30～60min，使喷涂的超疏水材料凝固，得到圆柱形转子10外圆周表面上的超疏水区域。本实施例中，放置30min；所述的超疏水材料为市售。

步骤5，去除隔离带：将超疏水材料凝固后的圆柱形转子10外圆周表面的隔离带去除，使原被隔离带覆盖的圆柱形转子10外圆周表面的亲水表面露出，形成了圆柱形转子10外圆周表面的亲水区域，并且所述亲水区域与所述超疏水区域相间排布。亲水区域3和超疏水区域2均呈圆环面。且所述亲水区域3和超疏水区域2所对应的圆环直径均等于圆柱形转子10的直径。本实施例中，亲水区域3宽度为1mm，超疏水区域2宽度为4mm。

步骤6，将针头11、通气管道6与微量注射泵7依次密封连接。

使用时，将圆柱形转子10浸入水中，将针头11依次轻靠在各超疏水区域2的轴向中心高度处，利用微量注射泵7，经过通气管道6和针头11从下到上依次向各超疏水区域2通气。由于超疏水表面亲气的特性，空气会附着到整个超疏水区域2。本实例中，各超疏水区域的通气量相同，通气量范围为0.05～0.3ml。由于亲水区域3的存在，在亲疏水表面的交界处会形成较大的接触角滞后特性，因此，气膜8能稳定驻留，难以被流动带走。通过测试发现，如图5所示，圆柱转子模型表面上能驻留稳定、持久的气膜，且所述圆柱转子模型表面的气膜呈轴对称的类轮胎型分布。如图6所示，当所述圆柱转子模型围绕其中心轴在水下匀速旋转时，具有最大超过60％的稳定减阻量，且减阻量随所述气膜平均厚度h以及圆柱转子模型旋转速度而变化。

综上所述，该基于润湿性调控的气膜减阻技术能够在平板或类圆柱体表面上稳定地驻留大面积的气膜，可实现减阻效果的持续性和有效性。通过气体注射量的调节可以来控制气膜的厚度，进而实现减阻效果的调节。另外，本实施例的加工的难度和成本较低，易于在工程中的实际应用。

Claims (3)

1.一种基于润湿性调控的气膜减阻模型，其特征在于，所述的气膜减阻模型为平板状或圆柱形，形成平板状气膜减阻模型或圆柱形平板状气膜减阻模型；该气膜减阻模型的表面由多块亲水区域和多块超疏水区域组成，并且所述各亲水区域和各超疏水区域呈间隔排布；所述各亲水区域的本征接触角为42°，所述各超疏水区域的本征接触角为165°；

所述平板状气膜减阻模型包括上层铝板和下层铝板，并且在所述上层铝板和下层铝板之间有气室；所述气膜减阻模型的上层铝板的上表面为气膜减阻层；所述减阻层由多块亲水区域和多块超疏水区域组成，并且所述各亲水区域和各超疏水区域相间排布，使减阻层呈四边形、或者六边形、或者三角形、或者圆形组成的网格状；在所述各超疏水区域的几何中心均有通气孔，并使各通气孔与气室贯通；在下层铝板的几何中心有一个气孔，该气孔通过通气管道与微量注射泵连通；

所述圆柱形气膜减阻模型包括圆柱形转子和转轴，并且圆柱形气膜减阻模型的外圆周表面为减阻层；所述减阻层由多块环状的亲水区域和多块环状的超疏水区域组成；各所述亲水区域和各超疏水区域沿圆柱形转子的轴向相间排布。

2.一种制备权利要求1所述基于润湿性调控的气膜减阻模型的方法，其特征在于，具体过程是：

步骤1，制作气膜减阻模型基体；

步骤2，表面清洗：

步骤3，粘贴胶带：在设计确定的亲水区域上粘贴隔离带，

步骤4，喷涂超疏水材料：使用常规的喷涂方法将超疏水材料涂覆到上层铝板表面，喷涂厚度为20μm；喷涂后放置30～60min，使喷涂的超疏水材料凝固，得到上层铝板表面的超疏水区域；

步骤5，去除隔离带：将超疏水材料凝固后的隔离带去除，使原被隔离带覆盖的上层铝板的亲水表面露出，形成了上层铝板的亲水区域，并且所述亲水区域与所述超疏水区域相间排布；

步骤6，连接微量注射泵。

3.如权利要求2所述制备基于润湿性调控的气膜减阻模型的方法，其特征在于，制作气膜减阻模型基体时，若所述气膜减阻模型基体为平板状，将两块铝板焊接，并使两块铝板相邻表面之间形成气室；在设计确定的上层铝板上表面的各超疏水区域的几何中心加工通气孔；在下层铝板的几何中心加工气孔。