CN106409081A - 一种基于电解水动态补气的超疏水表面气膜减阻模型 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电解水动态补气的超疏水表面气膜减阻模型。利用直流电源电极触水即电解的特性，通过在超疏水微结构内部布置电解电极，以电解水的方法实现减阻模型表面气膜在水流冲刷下的动态补充，在基板模型表面微结构内稳定地驻留气膜，实现减阻效果的持续性和有效性。通过电极高度的调节可来控制气膜的厚度，进而实现减阻效果的调节。从而达到稳定减阻效果。通过电解水动态补气的超疏水表面，不需要长时间连续通气，仅在气液界面低于电极上端时，自动触发电解电路及时补充气体，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；能够稳定的维持气膜，实现了减阻效果的持续性和有效性，有利于实际工程应用。

Description

一种基于电解水动态补气的超疏水表面气膜减阻模型

技术领域

本发明涉及水下减阻技术，具体地说，涉及一种基于电解水动态补气的超疏水表面气膜减阻模型。

背景技术

固液之间的摩擦阻力普遍存在于水下航行体与水面舰艇表面以及输送液体的管道内壁面，减少摩擦阻力对于提高水下航行器和水面舰艇的航速与航程有着极其重要的工程价值，同时降低能源消耗具有重要的环保和经济意义。由于空气的粘性明显小于水的粘性，相比于水下航行体，空气中的航行体所受到的摩擦阻力非常小。因此人们开始尝试用一层气体将水下航行体表面与液体分开，用气固摩擦来取代固液摩擦从而实现减阻。

发明专利200710038322.5“气膜减阻高速船”,该气膜减阻高速船利用风机向船底通入空气形成气层，但该方法只适用于船底为凹形的水面舰船，不能应用于水下航行体减阻；专利200610026224.5“水下高速航体通入过热蒸汽致超空化的方法和装置”和专利200610127927.7“超空化气液多相喷水推进器”分别利用热蒸汽和叶轮来产生空化，从而在航行体表面维持气体层的存在，但这两种方法所需要的条件苛刻，工程应用难度大，且需要附加能量的输入，成本较高；发明专利201510579215.8“基于润湿性调控的气膜减阻模型及其制作方法”,利用润湿性调控在固体表面构造亲疏水相间的区域，实现了水下固体表面气膜的封存，但该气膜为一次性人工通入，一旦气膜流失将得不到气体补充。

发明内容

为了避免现有技术存在的不足，克服现有超疏水表面减阻技术中存在的气膜易于流失致使减阻失效的问题，本发明提出一种基于电解水动态补气的超疏水表面气膜减阻模型。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:包括基板模型、铂金丝电极、超疏水涂层、电极过线孔、直流电源，其特征在于所述基板模型为有机玻璃平板，基板模型上表面均布有若干方形凹槽,在方形凹槽内表面采用超疏水涂层做疏水处理，方形凹槽内设有用于电解水的铂金丝电极，正负铂金丝电极分布于方形凹槽内两相对侧壁面，电极顶部与方形凹槽上表面平齐，超疏水区域的本征接触角大于150；其制作方法包括以下步骤:

步骤1.制作气膜减阻基板模型；制作气膜减阻基板模型，若所述气膜减阻模型基体为平板状，在气膜减阻基板模型上表面加工方形凹槽微结构，紧贴方槽相对两内壁面，加工电极过线孔；

步骤2.表面清洗；利用去离子水和丙酮将减阻层区域清洗干净；

步骤3.喷涂超疏水涂层材料；将超疏水涂层材料涂覆在减阻层区域表面，喷涂厚度为20μm；喷涂后放置30～60min，使喷涂的超疏水涂层材料凝固，得到方形凹槽内壁面的超疏水区域；

步骤4.通过电极过线孔紧贴方形凹槽内壁面粘贴铂金丝电极；

步骤5.用PDMS固化材料在基板模型下表面做绝缘和密封处理；

步骤6.将铂金丝电极通过导线连接于直流电源正负极。

有益效果

本发明根据电解水会在直流电源正负极上产生气体原理，提出一种基于电解水动态补气的超疏水表面气膜减阻模型。该结构能实现流失气体的动态补充，从而达到稳定减阻效果。与超空化减阻相比，该技术能耗更少，适用于低流速的情况；与通气气膜减阻相比，该技术不需要长时间连续通气，仅在气液界面低于电极上端时，自动触发电解电路及时补充气体，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，该技术能够稳定的维持气膜，实现了减阻效果的持续性和有效性，有利于实际工程应用。

1.本发明利用直流电源电极触水即电解的特性，通过在超疏水微结构内部布置电解电极，以电解水的方法实现了模型表面气膜在水流冲刷下的动态补充，解决了现有技术中气膜的流失问题，达到水下稳定持久减阻的效果。

2.本发明实现了当气液界面降至电极下方时自动触发实现气体动态补充，是一种超疏水表面气液界面形态主动控制的方式，操作简单易行，可控性较好，实用性强，应用前景广阔。

3.本发明可通过调节电极高度，来形成可控厚度的气膜层，能源消耗少，控制精确，有利于实现减阻效果的人工控制。

通过实验证明，利用基于电解水的超疏水表面微结构内部气体动态补充方法，能够实现气膜在超疏水微结构内部的稳定驻留。在平板模型上的各超疏水方坑内部驻存有稳定的气膜，且经过0.1m/s水流持续冲刷1h后，无电解水持续补充气体的微结构内部气膜消失殆尽，而经电解水持续补充气体的微结构内部，气膜无明显变化，气膜存在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，带有电解水持续补充气体装置的微结构表面在0.1m/s水速冲刷时，减阻量达23.6％，0.15m/s时减阻量达14.3％；且随时间变化不明显。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明一种基于电解水动态补气的超疏水表面气膜减阻模型作进一步详细说明。

图1为本发明基于电解水动态补气的超疏水表面气膜减阻模型示意图。

图2a、图2b为电解水动态补充气体减阻模型工作原理示意图。

图3为长时间水流作用下平板模型气液界面稳定驻留效果图；

a为初始工作时气液界面形态b为水流作用2h后气膜形态。

图4为电解水动态补充气体减阻模型与普通疏水微结构模型效果对比图；

a为普通疏水微结构模型减阻效果随时间变化曲线。

b为电解水动态补充气体减阻模型减阻效果随时间变化曲线。

图中:

1.基板模型 2.水 3.铂金丝电极 4.导线 5.气液界面 6.流道上壁面 7.超疏水涂层 8.电极过线孔 9.直流电源

具体实施方式

本实施例是一种基于电解水动态补气的超疏水表面气膜减阻模型。

参阅图1～图4，本实施例基于电解水动态补气的超疏水表面气膜减阻模型，由基板模型1、铂金丝电极3、超疏水涂层7、电极过线孔8、直流电源9组成；其中，基板模型1为有机玻璃平板，基板模型1上表面均布有若干方形凹槽,方形凹槽的长乘宽乘高为5mm*5mm*5mm；在方形凹槽内表面采用超疏水涂层7做疏水处理，方形凹槽内设有用于电解水的铂金丝电极3，正负铂金丝电极3分布于方形凹槽内两相对侧壁面，铂金丝电极顶部与方形凹槽上表面平齐，超疏水区域的本征接触角为160°,铂金丝电极为Φ＝0.5mm。

本实例制作方法包括以下步骤:

步骤1.制作气膜减阻基板模型；制作气膜减阻基板模型，若所述气膜减阻模型基体为平板状，在气膜减阻基板模型上表面加工出阵列化的方形凹槽微结构，紧贴方槽相对两内壁面，加工电极过线孔8。

步骤2.表面清洗；利用去离子水和丙酮将减阻层区域清洗干净。

步骤3.喷涂超疏水涂层材料；将超疏水涂层材料涂覆在减阻层区域表面，喷涂厚度为20μm；喷涂后放置30～60min，使喷涂的超疏水涂层材料凝固，得到方形凹槽内壁面的超疏水区域；本实例中，放置30min。

步骤4.通过电极过线孔紧贴方形凹槽内壁面粘贴铂金丝电极。

步骤5.用PDMS固化材料在基板模型下表面做绝缘和密封处理。

步骤6.将铂金丝电极通过导线连接于直流电源正负极。

本实例中,当减阻层的微结构为其它形状时，其制作方法与本实施例相同，需保证正负电极不直接接触。

使用时，将气膜减阻基板模型浸入水下，利用方形凹槽内壁的超疏水表面疏水亲气的特性，方形凹槽内将会存在束缚空气层，并形成气液界面5。本实例中，流道内压强均为大气压。随后在流道内利用压差对气膜施加剪切流动，随气体溶解，气液界面5由状态a逐渐转变为状态b，当气液界面降低到电极以下时电解补气开始，使气液界面维持在状态a所示位置，从而达到气液界面稳定维持的效果。正是由于所述气膜的稳定存在，使得气膜减阻基板上面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，降低了气膜减阻基板模型阻力。

通过测试发现，在气膜减阻基板模型表面上形成大面积的稳定气膜，并测得气膜减阻基板在0.1m/s水速时减阻量达23.6％，在0.15m/s时减阻量则为14.3％。同时，通过通气量的控制，可调节气膜的厚度，还能够进一步调节减阻效果。通过与普通疏水微结构表面进行对比，可以发现，普通疏水微结构模型减阻效果随水流冲刷时间延长而逐渐降低，电解水动态补充气体减阻模型减阻效果随时间变化不大，从而说明气膜减阻基板模型及方法对减阻效果维持的有效性。

本实施例基于电解水动态补气的超疏水表面气膜减阻模型以及制作方法，能够在基板模型表面微结构内稳定地驻留气膜，实现减阻效果的持续性和有效性。通过电极高度的调节可来控制气膜的厚度，进而实现减阻效果的调节。另外，本实施例由于可以随气液界面的降低而主动工作，故而能耗成本较低，易于在工程中的实际应用。

Claims (1)

1.一种基于电解水动态补气的超疏水表面气膜减阻模型，包括基板模型、铂金丝电极、超疏水涂层、电极过线孔、直流电源，其特征在于:所述基板模型为有机玻璃平板，基板模型上表面均布有若干方形凹槽,在方形凹槽内表面采用超疏水涂层做疏水处理，方形凹槽内设有用于电解水的铂金丝电极，正负铂金丝电极分布于方形凹槽内两相对侧壁面，电极顶部与方形凹槽上表面平齐，超疏水区域的本征接触角大于150；其制作方法包括以下步骤:

步骤1.制作气膜减阻基板模型；制作气膜减阻基板模型，若所述气膜减阻模型基体为平板状，在气膜减阻基板模型上表面加工方形凹槽微结构，紧贴方槽相对两内壁面，加工电极过线孔；

步骤2.表面清洗；利用去离子水和丙酮将减阻层区域清洗干净；

步骤3.喷涂超疏水涂层材料；将超疏水涂层材料涂覆在减阻层区域表面，喷涂厚度为20μm；喷涂后放置30～60min，使喷涂的超疏水涂层材料凝固，得到方形凹槽内壁面的超疏水区域；

步骤4.通过电极过线孔紧贴方形凹槽内壁面粘贴铂金丝电极；

步骤5.用PDMS固化材料在基板模型下表面做绝缘和密封处理；

步骤6.将铂金丝电极通过导线连接于直流电源正负极。