CN109572972B - 一种磁流体推进器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种磁流体推进器，该磁流体推进器包括超导线圈、电极、海水通道。所述超导线圈位于海水通道外部，能够在海水通道内建立磁场。所述电极包括正电极和负电极，设置在海水通道内部，为海水导电提供电流。所述海水通道，与海水接触的内壁面，采用带微槽的仿生鲨鱼皮结构。该结构改善海水流经它的浊流边界层的流体结构和流体动态，具有更好的减阻效果。所述电极的正负电极与海水的接触面为仿生鲨鱼皮结构；所述电极仿生鲨鱼皮结构由金属导电材料制成；设置电极仿生鲨鱼皮结构，电极的表面积增加，电极导电性能提高，海水受到磁场力相应增加，磁流体推进力加大，船舶运动速度加快。

Description

一种磁流体推进器

技术领域：

本发明涉及一种推进器，尤其是涉及到将工程仿生技术应用在推进器领域。

背景技术：

传统的船舶行进采用螺旋桨机械推进方式，它存在效率低噪音高的问题，因此，人们一直寻找一种新型有效的替代技术。近几十年来，随着电学、电磁学、超导材料学的发展以及现代控制技术的成熟，作为一种新型船舶舰艇推进技术----磁流体推进技术应运而生。

磁流体推进器是在贯通海水的通道内建有一个磁场，这个磁场能对导电的海水产生电磁力，使海水在通道内流动。若运动方向指向船艉，其反作用力推动船舶前进。与机械传动类推进器相比，磁流体推进器具有以下优点：一是磁流体推进没有螺旋桨、齿轮传动机构、轴泵等机械传动结构，消除了这些传动机构产生的震动和噪音，船舶在安静状态下行驶；二是磁流体推进器克服了传动机械的功率限值和螺旋桨高速旋转所产生的空泡，能够提高设备的功率；三是磁流体推进器与船舶的其它装置没有刚性连接，可以集中或者分散安装在舱室内的任何一个位置；四是磁流体推进的可操作性良好，在驾驶室中通过控制推进器的输入电压或电流对船舶进行操纵，通常通过调节电压的大小控制船舶的推进速度。据理论计算其航速可达机械转动类推进器不可能实现的150节。

超导电磁流体推进是把电能直接转换成流体动能，以喷射推进取代传统螺旋桨推进，具有低噪音和安全性等特点。中科院研制了超导螺旋式电磁流体推进实验船，建成了用于磁流体推进器水动力学研究的海水循环试验装置和用于试验船综合性能研究的航试水池。目前，许多研究机构都研制了多种形式的磁流体推进器。

1936年英国生物学家James Gray计算发现，当海豚以平均20节泳速游动时，其理论作功能耗是实际摄食能量的7倍，这引发了科学界对海洋大型快速游泳动物减阻仿生学的研究。

鲨鱼在漫长的进化中获得了优异的减阻能力。鲨鱼体表覆盖着一层独特的盾鳞。盾鳞是包括鲨鱼在内的一些软骨鱼类所特有的鳞片，也是现生鱼类中最原始的一种鱼鳞。盾鳞与牙齿在进化上同源，具有相似的组织结构，其最外层为珐琅质，中间层是象牙质，中央是髓腔。盾鳞的这种刚性组织结构有利于对其进行结构仿生研究。深入研究表明，鲨鱼体表的盾鳞沟槽结构具有良好的减阻效果，其几何尺寸为减阻结构仿生制造的重要参数。盾鳞结构能够优化鲨鱼体表边界层的流体结构，能有效减小水阻，从而降低能量依赖度，获得极高的速度。Walsh等的流体动力学试验表明：在高速流体流动状况下，盾鳞肋条结构表面的减阻效果达到8％。

船舶在使用一定年限后，在船舶的水下部分会附着海洋生物。这种生物污损会对海洋船舶等造成非常严重的影响，例如：一是增加航行阻力，降低航行速度，增加燃油消耗；二是影响船舶的使用性能，如阻塞管道、干扰声纳信号；三是增加维护修理费用，带来巨大经济损失。然而，鲨鱼终年生活在海水中，其皮肤表面不附着任何海洋生物，并且捕食时的行进速度非常快。研究发现，鲨鱼的表面盾鳞结构具有阻止海洋生物附着或者使海洋生物更容易脱落的作用。

因此,通过仿生的方法,利用物理化学手段模拟这些表层结构制得的涂层,已在相关领域取得成功,应用于海水防污系统具有很大潜力。仿生鲨鱼皮制备技术，制备的鲨鱼皮盾鳞三维模型能较好地再现盾鳞形貌，已经获得突破并在多个领域获得应用，为减阻、防垢结构的仿生制造奠定了基础。

目前，所有形式的磁流体推进器都存在一些共性问题，一是磁流体推进器阻力大的问题。磁流体推进器的海水通道和电极表面与海水直接接触，它们之间存在的阻力会降低磁流体推进器的推进效率；二是磁流体的电极效率不高问题。磁流体推进器的电极之间通电流的大小对推进力和推进功有决定性影响。电流大小除了受流体导电性影响外，还与电极的表面材质，表面形式，表面面积有密切关系。目前，常用的普通平滑金属表面电极，限制了通电电流的大小；三是磁流体推进器的海洋生物污损问题。船舶在水质较差或微生物多的水域运行时，磁流体推进器与推进流体直接接触的表面会产生微生物附着，引起污垢沉积，即影响电极的导电性降低推进力，又会增加界面阻力，影响推进效率。

技术内容

本发明提供一种磁流体推进器，该磁流体推进器正负电极与海水的接触面为仿生鲨鱼皮结构。设置电极仿生鲨鱼皮结构，能够增加电极表面面积，提高电极导电性能。设置海水通道仿生鲨鱼皮结构以及涂覆低表面能涂层，能够减小阻力和防污。

本发明解决其技术问题采取的技术方案是：

一种磁流体推进器，包括超导线圈、电极、海水通道，所述超导线圈位于海水通道外部，能够在海水通道内建立磁场；所述电极包括正电极和负电极，设置在海水通道内部，为海水导电提供电流；所述海水通道，与海水接触的内壁面，采用带微槽的仿生鲨鱼皮结构。

上述电极的正负电极与海水的接触面为仿生鲨鱼皮结构；所述电极仿生鲨鱼皮结构由金属导电材料制成；所述电极仿生鲨鱼皮结构由多个块状仿生鲨鱼皮结构组成，所述块状仿生鲨鱼皮结构通过拼装与电极表面贴合连接。

上述海水通道仿生鲨鱼皮结构表面涂覆低表面能涂层；所述海水通道仿生鲨鱼皮结构由多个块状仿生鲨鱼皮结构组成，所述块状仿生鲨鱼皮结构通过拼装与海水通道内壁贴合连接。上述低表面能涂层为有机硅系列树脂化合物。

仿生鲨鱼皮结构是由微小的矩形鳞片组成，鳞片为盾鳞，排列紧凑有序，呈齿状，齿尖趋向同一方向，相邻的鳞片在边缘部位有重叠现象，呈覆瓦状排列。上述盾鳞上设有脊状肋条，所述脊状肋条呈纵向排列在盾鳞冠上，而在肋条之间形成了沟槽。上述仿生鲨鱼皮盾鳞片中部设有第一脊状肋条，该脊状肋条确定仿生鲨鱼盾鳞的基准方向；所述在仿生鲨鱼盾鳞上设有第二脊状肋条，所述第二脊状肋条为2个，对称设置在第一脊状肋条两侧；所述第一脊状肋条的长度长于第二脊状肋条。

上述电极仿生鲨鱼皮结构的脊状肋条分配电流大于所述电极仿生鲨鱼皮结构的沟槽分配电流。

上述仿生鲨鱼皮盾鳞结构上附有刺状突起,所述刺状突起的有序排列方式形成微沟槽结构。

上述的磁流体推进器是直管超导磁流体推进器或螺旋通道磁流体推进器。

本发明的有益效果是：

一是磁流体推进器海水通道内壁的仿鲨鱼皮结构能改善流经它的浊流边界层的流体结构和流体动态，因而具有更好的减阻效果；

二是磁流体推进器海水通道内壁的仿生鲨鱼皮结构具有低表面能特性，能够防止海洋生物附着的作用，同时，在海水通道内壁涂覆亲水地表面能材料，使海洋生物难以附着的效果更好；

三是磁流体推进器的电极仿生鲨鱼皮结构不仅可以减小海水阻力、防止海洋生物附着，同时，由于电极表面面积增大，电极导电性能提高，磁流体推进力加大，船舶运动速度加快。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1直管超导磁流体推进器示意图

图2螺旋通道磁流体推进器示意图

图3仿生鲨鱼皮盾鳞结构图

附图中标注说明如下：1-超导线圈；2-电极；21-电极表面仿生鲨鱼皮结构；3-海水通道；31-海水通道内壁仿生鲨鱼皮结构；4-线圈罩；5-盾鳞；51-脊状肋条；52-沟槽；511-第一脊状肋条；512-第二脊状肋条；6-中轴体；61-螺旋片；62-导流片；63-整流片。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述，实施例不能在此一一赘述，但本发明的实施方式并不因此限定以下实施例。

磁流体推进技术是利用海水中电流和磁场间的相互作用力，使海水运动产生的一种推进方法。具体而言，磁流体推进是把海水作为导电体，利用磁体在磁流体推进器贯通海水的通道内建立磁场，通过电极向海水供电，此时载流海水与它相互垂直的磁场中受到电磁力的作用，受力方向按左手定则确定。海水受力时沿电磁力方向运动，若运动方向指向船艉，其反作用力推进船舶前进。在磁场一定的情况下，电流大、电磁力大，推力也大，船舶运动的速度就快；反之，电流小，电磁力小，推力也小，船舶运动的速度也慢。

实施例1

一种磁流体推进器，优选为直管超导磁流体推进器。所述直管超导磁流体推进器包括超导线圈1、电极板2、海水通道3、线圈罩4。

所述直管超导磁流体推进器的超导线圈1为推进器提供磁场；所述直管超导磁流体推进器的电极板2包括正电极板和负电极板，能够为海水提供电流；所述直管超导磁流体推进器设有海水通道3，海水通道为一根金属隔热直管，海水能够在海水通道内流入和流出；所述直管超导磁流体推进器的线圈罩4具有隔热和磁屏蔽作用。

所述直管超导磁流体推进器的超导线圈1为两个马鞍型的线圈，对称设置在海水通道的外部，与海水通道外壳表面贴合连接。所述超导线圈为超导磁体，没有铁芯，为一空心线圈，其导线为超导体。所述超导线圈可以流通超大电流，产生超强磁场，在超导线圈内的电流建立后，短路线圈端头，切断电源，线圈内仍然保留着电流，电流将无限制的循环下去，能够在海水通道内建立超强磁场。

所述直管超导磁流体推进器的海水通道3内管壁上设有正负两个电极板2，所述正负两个电极板对称贴合在海水通道的内管壁上，所述电极板通过电源线与外接电源连接，正负电极板在海水通道内形成的海水导电方向与超导线圈建立的磁场方向垂直。

所述超导线圈通过浸泡在液氮等液体中来得到超低温。所述超导线圈外围包着线圈罩4，线圈罩4密封并有一定强度和隔热能力，海水导管也要有隔热能力，在线圈罩与海水导管之间抽真空，充液氮保证超低温，使超导线圈正常工作。所述线圈罩中设有一层磁屏蔽层，减少磁场的外泄。

直管超导磁流体推进器在工作时，外接电源通过电源线对正负两个极板通电，电极板向海水通道内的海水通电。由于海水具有导电性，同时受到超导线圈在海水通道内建立的磁场作用，按照左手定则规律，通过合理设置正负电极板和超导线圈内的电流方向，能够使海水受到的磁场力方向指向船艉，海水沿着磁场力的方向流动，其反作用力推进船舶前进。

在直管马鞍型超导磁流体推进器中，所述海水通道的内壁为仿生鲨鱼皮结构31，所述电极板的正负电极与海水的接触面为仿生鲨鱼皮结构21。

与海水通道内仿生鲨鱼皮结构相比，在光滑海水通道内壁表面上，浊流边界层中的压力和速度存在着严重不均匀分布，导致流体阻力增加和动量交换损失；相反，仿鲨鱼皮结构能改善流经它的浊流边界层的流体结构和流体动态，因而具有更好的减阻效果。因此，所述磁流体推进器海水通道内壁的仿生鲨鱼皮结构具有减小海水阻力，也使海洋生物难以附着。

海洋生物附着初期是通过分泌黏液润湿被附着表面来实现的，黏液对低表面能的表面浸润性差，从而接触角大，难以附着或附着不牢，在水流或其他外力作用下很容易脱落。在海水通道内壁涂覆亲水地表面能材料，使海洋生物难以附着的效果更好。

所述磁流体推进器的电极仿生鲨鱼皮结构21为金属材料制成，不仅可以减小海水阻力、防止海洋生物附着，同时，由于电极表面面积增大，电极导电能力同步增大，磁流体推进力也相应加大。

所述海水通道内壁的仿生鲨鱼皮结构31和电极板的正负电极与海水的接触面的仿生鲨鱼皮结构21是由微小的矩形鳞片组成，鳞片为盾鳞5，排列紧凑有序，呈齿状，齿尖趋向同一方向，前后相邻的鳞片在边缘部位有重叠现象，呈覆瓦状排列，这些微小鳞片有序排列，使仿生鲨鱼皮表面比较光滑。所述盾鳞5上设有脊状肋条51，所述脊状肋条呈纵向排列在盾鳞冠上，而在肋条之间形成了圆弧底状的沟槽52，这种沟槽52的表面结构为肋条结构。所述仿生鲨鱼皮盾鳞片中部设有第一脊状肋条511，该脊状肋条确定仿生鲨鱼皮盾鳞的基准方向；所述在仿生鲨鱼皮盾鳞上设有第二脊状肋条512，第二脊状肋条为两个，对称设置在第一脊状肋条两侧，所述第一脊状肋条的长度长于第二脊状肋条。所述盾鳞的径向长度通常在1mm以内，所述肋条高度一般低于30um,间距小于100um。所述仿生鲨鱼皮盾鳞结构上附有刺状突起,它们的有序排列方式形成微沟槽结构,这种结构会改变海水紊流边界层中原有的结构与速度分布,因而减小摩擦阻力。

所述电极板仿生鲨鱼皮结构由微小的盾鳞构成，相临的鳞片在边缘部位有部分重叠，因此在其他条件不变的情况下，电极的表面积增加，电极导电性能提高，海水受到磁场力相应增加，磁流体推进力加大，船舶运动速度加快。通过对仿生鲨鱼皮电极表面进行微设计，使脊状肋条有更好的导电性，分配更大的电流，对应的使圆弧底沟槽有相对较低的导电性，分配更小的电流。优选为：将肋条结构的圆弧底沟槽涂覆低表面能涂层，使沟槽分配更小的电流，或在盾鳞大小不变的情况下，增加脊状肋条的表面积，获得更多电流，同时将圆弧底沟槽涂变为V型沟槽，减小沟槽与海水接触面，获得较少电流。形成推动力的分布梯度，有利于形成更稳定的层流，降低流动阻力和提升推进效率。

在海水通道内部的仿生鲨鱼皮结构上涂覆低表面能防污涂料，使海洋生物难以附着或者附着不牢。所述低表面能防污涂料是基于涂料表面的物理作用，具有柔性的线性聚合物骨架、较多的表面活性基团、低弹性模量的特征。所述低表面能涂料为有机硅系列树脂化合物，包括有机硅聚氨酯类、有机硅环氧树脂类、有机硅丙烯酸酯类、有机硅聚醚类、有机硅聚酰胺类。例如：以聚二甲基硅氧烷和环氧树脂为基料，用聚四氟乙烯和石蜡油为填料，二氧化钛和氧化镁为颜料，聚酰胺为固化剂，研制出一种无毒防污涂料。或以聚氨酯或环氧改性有机硅橡胶为基料，以低表面能的聚四氟乙烯、石墨层间化合物和氟化碳酸盐等粉末为添加剂，通过研磨制成一种防污涂料。

所述仿生鲨鱼皮的制作方法如下：第一步：对海水通道内壁和电极板的几何形状进行数据采集；第二步：根据采集的数据，确定海水通道内壁和电极板海水接触面的仿生鲨鱼皮结构整体面积和形状，形状要与海水通道内壁和电极板的海水接触面相匹配；第三步：通过数据处理，将仿生鲨鱼皮整体形状进行合理分割，形成块状仿生鲨鱼皮结构，保证分割后的仿生鲨鱼皮结构更容易制作；第四步：采集鲨鱼躯干部的表皮，经处理后制备鲨鱼皮盾鳞结构生物模板；第五步：对鲨鱼皮盾鳞结构生物模板进行三维表面轮廓扫描，提取单个鲨鱼皮盾鳞结构和多个鲨鱼皮盾鳞相对位置、整体表面形貌的数据；第六步：将有关仿生鲨鱼皮的数据进行整理分析，通过金属3D打印工艺，制作块状的仿生鲨鱼皮结构；在进行金属3D打印时，对单个鲨鱼皮盾鳞结构或者区域内多个鲨鱼皮盾鳞整体结构数据能够进行适当放大调整，优选的放大倍数为1-50；第七步：利用电镀涂层方法，将属于海水通道仿生鲨鱼皮块状结构表面涂布防结垢涂层；第八步：将块状的仿生鲨鱼皮结构拼装在海水通道内壁和电极板海水接触面，使整个海水通道和电极板与海水接触面的结构为仿生鲨鱼皮结构。

实施例2

一种磁流体推进器，优选为螺旋通道磁流体推进器，所述螺旋通道磁流体推进器包括海水通道3、超导线圈1、线圈罩4、中轴体6、电极2。

所述螺旋通道磁流体推进器的超导线圈是圆筒形线圈，为推进器提供磁场；所述螺旋通道磁流体推进器的电极2包括正电极和负电极，能够为海水提供电流；所述螺旋通道磁流体推进器设有海水通道3，海水通道为一根金属隔热直管，海水能够在海水通道内流入和流出；所述螺旋通道磁流体推进器的线圈罩4具有隔热和磁屏蔽作用；所述螺旋通道磁流体推进器的的中轴体6设置在海水通道的中轴线处，形状为柱体，其柱体长度与海水通道相匹配。

所述螺旋通道磁流体推进器的海水通道包括进口直管和出口直管，所述进口直管和出口直管位于海水通道的两端，所述海水从进口直管处流入，从出口直管流。

所述螺旋通道磁流体推进器的超导线圈1缠绕在海水通道外部，形成一个圆筒形线圈，通电后圆筒线圈产生磁场，磁场方向与海水通道的中轴线平行。

所述螺旋通道磁流体推进器的线圈罩4密封包裹在超导线圈外部，线圈罩4内充液态氮，使超导线圈处于超低温状态。

所述螺旋通道磁流体推进器的中轴体6上安装一个圆柱面电极，为电源正极；所述海水通道内壁面安装圆筒面电极，为电源负极；所述电源正负极分别通过电源线与外接电源连接。

此时，对超导线圈通直流电，圆筒线圈产生与海水通道的中轴线平行的磁场；对中轴体上的圆柱面电极接电源正极，对海水通道内壁面的圆筒面电极接电源负极，按照左手定则规律，海水通道内的海水受电磁力作用下在通道内环形流动，在此种情况下，海水是无法从海水通道内流出的，也就无法实现推进器的功能。因此，为保证海水从通道内流出，需要在中轴体上安装螺旋片。

所述螺旋通道磁流体推进器的中轴体上绕有螺旋片61，形成螺旋通道。所述螺旋片以电流方向为轴，与磁力线有一定夹角、拦住环形水流，通过螺旋片导流，海水沿螺旋通道前进。所述海水通道前端设有几片导流片62，后端设有几片整流片63。所述螺旋片、整流片、导流片均由绝热材料制成。所述螺旋片能够使海水在海水通道内螺旋流动；所述导流片能够使海水水平平稳地进入海水通道，不出现涡流或湍流；所述整流片能够使螺旋流动的海水转变为轴向流动，经整流片转为轴向从出口直管流出。

螺旋通道磁流体推进器工作时，海水受到磁场力作用，通过海水通道前端导流片后，进入螺旋通道，海水在螺旋通道内作同步螺旋流动，随后通过后端整流片，使流出的海水由螺旋流动转为轴向流动。

在螺旋通道磁流体推进器中，所述海水通道的内壁为仿生鲨鱼皮结构31，所述圆柱面电极和圆筒面电极与海水的接触面为仿生鲨鱼皮结构21。

本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属技术领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种磁流体推进器，包括超导线圈、电极、海水通道，所述超导线圈位于海水通道外部，能够在海水通道内建立磁场；所述电极包括正电极和负电极，设置在海水通道内部，为海水导电提供电流；所述海水通道，与海水接触的内壁面，采用带微槽的仿生鲨鱼皮结构；所述海水通道仿生鲨鱼皮结构由多个块状仿生鲨鱼皮结构组成，通过拼装与海水通道内壁贴合连接；所述海水通道仿生鲨鱼皮结构表面涂覆低表面能涂层；其特征在于：所述电极的正负电极与海水的接触面为仿生鲨鱼皮结构，由金属导电材料制成；所述电极仿生鲨鱼皮结构由多个块状仿生鲨鱼皮结构组成，通过拼装与电极表面贴合连接；所述仿生鲨鱼皮结构是由微小的矩形鳞片组成，鳞片为盾鳞，排列紧凑有序，呈齿状，齿尖趋向同一方向，相邻的鳞片在边缘部位有重叠现象，呈覆瓦状排列；所述盾鳞上设有脊状肋条，所述脊状肋条呈纵向排列在盾鳞冠上，而在脊状肋条之间形成了沟槽；所述电极仿生鲨鱼皮结构的脊状肋条之间具有圆弧底沟槽，所述圆弧底沟槽涂覆低表面能涂层。

2.根据权利要求1所述的一种磁流体推进器，其特征在于：所述仿生鲨鱼皮盾鳞片中部设有第一脊状肋条，该脊状肋条确定仿生鲨鱼皮盾鳞的基准方向；在仿生鲨鱼盾鳞上设有第二脊状肋条，所述第二脊状肋条为2个，对称设置在第一脊状肋条两侧；所述第一脊状肋条的长度长于第二脊状肋条。

3.根据权利要求1所述的一种磁流体推进器，其特征在于：所述仿生鲨鱼皮盾鳞结构上附有刺状突起,所述刺状突起的有序排列方式形成微沟槽结构。

4.根据权利要求1所述的一种磁流体推进器，其特征在于：所述脊状肋条的圆弧底沟槽涂覆低表面能涂层，所述低表面能涂层为有机硅系列树脂化合物。

5.根据权利要求1所述的一种磁流体推进器，其特征在于：所述的磁流体推进器是直管超导磁流体推进器或螺旋通道磁流体推进器。

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