CN109959582B - 一种超疏水表面减阻效果的测量方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及流体力学应用领域，公开了一种超疏水表面减阻效果的测量方法和系统。该系统包括实验模型、定位夹具、敞口水箱、摄像机；实验模型包括一个光滑表面模型和多个超疏水表面模型，所述光滑表面模型和所述超疏水表面模型具有相同的形状，且重力和浮力分别相当；定位夹具固定在所述敞口水箱上方，定位夹具夹持两个实验模型，使得两个实验模型与敞口水箱的水面的距离相同；敞口水箱与摄像机放置在同一水平面且敞口水箱侧壁透明；摄像机具有能够拍摄到实验模型下落直至触碰水箱底部的预设位置和预设视角。本发明方案实现简单，测量效果良好。
Description
技术领域
本发明涉及流体力学应用领域，具体地说，涉及一种超疏水表面减阻效果的测量方法和系统。
背景技术
目前，对超疏水表面减阻效果的测量有如下两种方法：
1.水洞实验
水洞洞体为一个充满水的封闭循环管道，在叶轮泵的驱动下水沿管道循环流动，并在工作段内形成一个稳定的、水速和压力可调的均匀流场。将具有超疏水表面的实验模型置于工作段内并与测试仪器相连，以测定模型的阻力特性。(黄桥高,潘光,武昊,et al.超疏水表面减阻水洞实验及减阻机理研究[J].实验流体力学,2011,25(5):21-25.)
该方法有如下几个缺点：1.搭建水洞实验平台及设备造价高。2.实验模型与测试仪器相连的杆对流场和阻力有影响，特别是对微纳级别的超疏水表面，附带的杆会造成很大的实验误差。进一步，如果减阻效果不显著，这种误差会错过有减阻效果的超疏水表面，从而带来更大的损失。
2.PIV粒子图像测速技术
利用该技术可以测量槽道内流体的速度场,槽道底面具有超疏水表面，然后通过超疏水表面速度滑移和湍动脉动场信息分析其减阻效果。(卢思,姚朝晖,郝鹏飞,et al.微纳结构超疏水表面的湍流减阻机理研究[J].力学与实践,2013,35(4):20-24.)
该方法有如下几个缺点：1.该技术需要在流体介质中加入示踪粒子，这会造成流体成分的改变，同时造成超疏水表面减阻实验未知的误差。2.PIV测试结果与示踪粒子的直径、密度和散光特性有直接关系，所以，示踪粒子不仅影响真实的流场，还会影响测试的流场，造成双重叠加的误差。3.这种方法测试的是槽道或通道二维平面，并不能测试三维物体。4.这种方法主要是通过测试得到的速度滑移来判断减阻效果，但是速度滑移和减阻效果并没有被唯一确定下来，所以，用速度滑移来判断减阻效果是不严谨的。
发明内容
为了克服上述技术问题，本发明提供了一种超疏水表面减阻效果的测量方法和系统，实现简单，测量效果良好。
为了实现上述目的，本发明提供了一种超疏水表面减阻效果的测量系统，包括：
实验模型、定位夹具、敞口水箱、摄像机；
所述实验模型包括一光滑表面模型和一超疏水表面模型，所述光滑表面模型和所述超疏水表面模型具有相同的形状，且重力和浮力分别相当；或者，所述实验模型包括微结构不同的两个超疏水表面模型，所述微结构不同的两个超疏水表面模型具有相同的形状，且重力和浮力分别相当；
所述定位夹具固定在所述敞口水箱上方；所述定位夹具夹持两个所述实验模型，使得两个所述实验模型与所述敞口水箱的水面的距离相同；
所述敞口水箱与所述摄像机放置在同一水平面且所述敞口水箱侧壁透明；
所述摄像机具有能够拍摄到所述实验模型下落直至触碰水箱底部的预设位置和预设视角。
在本发明的一种可选的实施方式中，所述实验模型的迎流头部为圆锥状，中部为正六棱柱状，尾部为半球状；
所述迎流头部的圆锥底面直径、所述中部的截面的正六边形外接圆直径、所述尾部的截面圆直径相同。
在本发明的一种可选的实施方式中，所述尾部呈现被沿所述中部的正六棱柱的六个面切削的形状。
在本发明的一种可选的实施方式中，所述尾部通过设置在内部的外螺纹圆管固定至所述中部。
在本发明的一种可选的实施方式中，所述实验模型的迎流头部的长度范围是39mm至41mm，所述中部的长度范围是118mm至122mm，所述中部的截面的正六边形外接圆直径范围是29.5mm至30.5mm，所述实验模型的质量范围是87.5g至88.3g。
在本发明的一种可选的实施方式中，所述测量系统还包括打捞工具，用于打捞落入所述敞口水箱的所述实验模型。
另一方面，本发明还提供了一种超疏水表面减阻效果的测量方法，用于如前任意一项所述的超疏水表面减阻效果的测量系统，该方法包括：
向敞口水箱中注入水；
将光滑表面模型和超疏水表面模型夹持在定位夹具上；或将微结构不同的两个超疏水表面模型夹持在定位夹具上；
松开所述定位夹具使所述光滑表面模型和所述超疏水表面模型同时下落；或松开所述定位夹具使所述微结构不同的两个超疏水表面模型同时下落；
摄像机记录从下落开始至触碰水箱底部的过程。
在本发明的一种可选的实施方式中，该方法还包括：
使用打捞工具打捞落入所述敞口水箱的实验模型。
本发明所述的超疏水表面减阻效果的测量方法和系统，该系统包括实验模型、定位夹具、敞口水箱、摄像机；实验模型包括一光滑表面模型和一超疏水表面模型，所述光滑表面模型和所述超疏水表面模型具有相同的形状，且重力和浮力分别相当；或者实验模型包括微结构不同的两个超疏水表面模型，微结构不同的两个超疏水表面模型具有相同的形状，且重力和浮力分别相当；定位夹具固定在所述敞口水箱上方，定位夹具夹持两个实验模型，使得两个实验模型与敞口水箱的水面的距离相同；敞口水箱与摄像机放置在同一水平面且敞口水箱侧壁透明；摄像机具有能够拍摄到实验模型下落直至触碰水箱底部的预设位置和预设视角。本发明的技术方案通过搭建简单的实验装置实现超疏水表面减阻效果的测量，制作成本比现有技术更低，实验模型结构小巧简单，用料节省，便于工业上进行模块化批量生产，利于加快研究进展。同时该技术方案的操作简便，实验现象和结果简单明了，无需进行理论经验等关系式来判断效果，而是直接通过实验结果判断减阻效果，有利于加快超疏水表面机理研究进展。此外，本发明的方案不同于现有的固定实物模型、控制流体流速的实验方法，而是通过模型本身的运动状态改变流场，是一种逆向思维模拟流场的实验方法，可更贴近真实地还原超疏水表面实际应用的流场。
附图说明
图1为本发明所述超疏水表面减阻效果的测量系统的示意图；
图2为本发明所述实验模型的迎流头部和中部的示意图；
图3为本发明所述实验模型的尾部的示意图。
具体实施方式
下面参考附图来说明本发明的实施例。在本发明的一个附图或一种实施方式中描述的元素和特征可以与一个或更多个其他附图或实施方式中示出的元素和特征相结合。应当注意，为了清楚的目的，附图和说明中省略了与本发明无关的、本领域普通技术人员已知的部件或处理的表示和描述。
本发明实施例提供了一种超疏水表面减阻效果的测量系统，如图1所示，该系统包括：
实验模型1、敞口水箱2、摄像机3、定位夹具4。
该实验模型呈细长状。该实验模型为简化的水下航行体。
该实验模型能够稳定缓慢地在水里竖直下落，且可以通过增加自身重量改变下落速度以满足实验需求。
实验模型1包括一光滑表面模型和一超疏水表面模型。其中，光滑表面模型和超疏水表面模型具有相同的形状，且重力和浮力分别相当。
定位夹具4固定在敞口水箱2的上方。定位夹具4能够夹持光滑表面模型和所述超疏水表面模型，使得二者与敞口水箱2的水面的距离相同。
敞口水箱2与摄像机3放置在同一水平面，并且水箱侧壁是透明的，使实验模型都受光均匀，便于摄像机3进行拍摄。
并且，摄像机3具有能够拍摄到实验模型1下落直至触碰水箱底部的预设位置和预设视角。
进一步的，该摄像机3可以是高速摄像机。
进一步的，敞口水箱2可以为高3m，直径1m的圆柱形透明有机玻璃水箱。箱体外壁面有垂直底面的刻度线，便于标注模型下落位置，箱底壁面设有一排水阀。
进一步的，如图2、图3所示，实验模型1的迎流头部为圆锥状，中部为正六棱柱状，尾部为半球状。整体呈细长状。
迎流头部的圆锥底面直径、中部的截面的正六边形外接圆直径、尾部的截面圆直径相同。
如图3所示，该实验模型1的尾部呈现被沿中部的正六棱柱的六个面切削的形状。这样，在增加整体光顺的同时，使得可以处理的表面面积更多了。
进一步的，实验模型的迎流头部的长度范围是39mm至41mm，所述中部的长度范围是118mm至122mm，所述中部的截面的正六边形外接圆直径范围是29.5mm至30.5mm，所述实验模型的质量范围是87.5g至88.3g。
如图1所示，该系统还包括打捞工具5，用于打捞落入敞口水箱的实验模型。打捞工具5具体可以是打捞网。
这种设计的水下航行体模型外形像铅笔，迎流头部是圆锥形的，具体长度为40mm,中段是正六棱柱形的，具体长度为120mm，尾部由半球、一小段正六棱柱和外螺纹圆管组成。中段的正六边形外接圆直径与尾部半球直径和头部圆锥的直径是一样大的，都是30mm。
此外，可采用内部调控的方式将总重量减小。比如，在中部内掏除直径24.5mm的圆柱体，尾部半球内掏除多个阶梯圆柱孔，使得重心更加偏离在浮心之下，增加其在水中下落的稳定性。头部和中部是整体加工出来的，通过螺距为0.5mm的螺纹将其与尾部连接。在一种实施方式中，一个实验模型总质量为88g，排水体积为85837.947mm3，重力与浮力相差0.0212N。重心和浮心在中心线上，重心距离头部顶点77.484mm，浮心距离头部顶点97.506mm。实验模型具体的样式见图2和图3。
此外，本发明实施例还提供了一种超疏水表面减阻效果的测量系统，实验模型包括微结构不同的两个超疏水表面模型，该微结构不同的两个超疏水表面模型具有相同的形状，且重力和浮力分别相当。固定夹具夹持这两个微结构不同的超疏水表面模型，使这两个超疏水表面模型与敞口水箱的水面距离相同。系统的其他构成可参考前述内容描述，不再赘述。该测量系统可比较到不同超疏水表面的减阻效果。
本发明实施例还提供了一种超疏水表面减阻效果的测量方法，该方法包括：
1、先在硅片上用激光或其他方法刻出不同微结构表面，然后测量这些微结构表面的接触角和滚动角，根据接触角和滚动角挑选出具有超疏水性的表面，并记录结构参数，再通过激光或其他方法在水下航行体实验模型的6个平面上刻出这些超疏水微结构，并留一个光滑表面水下航行体实验模型作为对照。
2、在水箱中注水至3m刻度线处，等待水箱里的水变得平静。
3、将高速摄像机固定在水箱外，调整与水箱的距离使其能够清晰地观察到水箱内部，再使高速摄像机靠近水箱底部，调整其垂直高度，使其最下面的视角能看到模型下落接触箱底。
4、将光滑表面模型和超疏水表面模型用定位夹具夹住。
5、松开使二者同时下落。
6、打开摄像机记录模型触底前的视频。
摄像机至少在松开定位夹具时开始记录视频。
获得记录的视频后保存编号，此时可通过谁先触底判断谁下落的快，因为两者的重力和浮力是分别相当的，所以下落快的实验模型阻力一定小。
7、将箱底的两个实验模型打捞出来，并回收其中光滑表面实验模型。
其中超疏水表面模型也需要编号，与拍摄其下落的视频编号保持一致。
进一步的，用仅是微结构不同的超疏水表面实验模型重复以上实验步骤，可比较到不同超疏水表面的减阻效果。
本发明实施例的技术方案通过搭建简单的实验装置实现超疏水表面减阻效果的测量，制作成本比现有技术更低，实验模型结构小巧简单，用料节省，便于工业上进行模块化批量生产，利于加快研究进展。同时该技术方案的操作简便，实验现象和结果简单明了，无需进行理论经验等关系式来判断效果，而是直接通过实验结果判断减阻效果，有利于加快超疏水表面机理研究进展。此外，本发明的方案不同于现有实验方法中固定实物模型、控制流体流速的方案，而是通过模型本身的运动状态改变流场，可更贴近真实地还原超疏水表面实际应用的流场。
本发明实施例的方案不同于现有的固定实物模型、控制流体流速的实验方法，而是通过模型本身的运动状态改变流场，是一种逆向思维模拟流场的实验方法，可更贴近真实地还原超疏水表面实际应用的流场。
虽然已经详细说明了本发明及其优点，但是应当理解在不超出由所附的权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下可以进行各种改变、替代和变换。而且，本申请的范围不仅限于说明书所描述的过程、设备、手段、方法和步骤的具体实施例。本领域内的普通技术人员从本发明的公开内容将容易理解，根据本发明可以使用执行与在此所述的相应实施例基本相同的功能或者获得与其基本相同的结果的、现有和将来要被开发的过程、设备、手段、方法或者步骤。因此，所附的权利要求旨在在它们的范围内包括这样的过程、设备、手段、方法或者步骤。
Claims (6)
1.一种超疏水表面减阻效果的测量系统，其特征在于，包括：
实验模型、定位夹具、敞口水箱、摄像机；
所述实验模型包括一光滑表面模型和一超疏水表面模型，所述光滑表面模型和所述超疏水表面模型具有相同的形状，且重力和浮力分别相当；或者，所述实验模型包括微结构不同的两个超疏水表面模型，所述微结构不同的两个超疏水表面模型具有相同的形状，且重力和浮力分别相当；
所述定位夹具固定在所述敞口水箱上方；所述定位夹具夹持两个所述实验模型，使得两个所述实验模型与所述敞口水箱的水面的距离相同；
所述敞口水箱与所述摄像机放置在同一水平面且所述敞口水箱侧壁透明；
所述摄像机具有能够拍摄到所述实验模型下落直至触碰水箱底部的预设位置和预设视角；
所述实验模型呈细长状，迎流头部为圆锥状，中部为正六棱柱状，尾部为半球状；所述迎流头部的圆锥底面直径、所述中部的截面的正六边形外接圆直径、所述尾部的截面圆直径相同；所述尾部呈现被沿所述中部的正六棱柱的六个面切削的形状；所述实验模型的迎流头部的长度范围是39mm至41mm，所述中部的长度范围是118mm至122mm，所述中部的截面的正六边形外接圆直径范围是29.5mm至30.5mm。
2.根据权利要求1所述的超疏水表面减阻效果的测量系统，其特征在于，所述尾部通过设置在内部的外螺纹圆管固定至所述中部。
3.根据权利要求2所述的超疏水表面减阻效果的测量系统，其特征在于，所述实验模型的质量范围是87.5g至88.3g。
4.根据权利要求3所述的超疏水表面减阻效果的测量系统，其特征在于，所述测量系统还包括打捞工具，用于打捞落入所述敞口水箱的所述实验模型。
5.一种超疏水表面减阻效果的测量方法，其特征在于，该方法用于如权利要求1至4中任意一项所述的超疏水表面减阻效果的测量系统，该方法包括：
向敞口水箱中注入水；
将光滑表面模型和超疏水表面模型夹持在定位夹具上；或将微结构不同的两个超疏水表面模型夹持在定位夹具上；
松开所述定位夹具使所述光滑表面模型和所述超疏水表面模型同时下落；或松开所述定位夹具使所述微结构不同的两个超疏水表面模型同时下落；
摄像机记录从下落开始至触碰水箱底部的过程。
6.根据权利要求5所述的超疏水表面减阻效果的测量方法，其特征在于，该方法还包括：
使用打捞工具打捞落入所述敞口水箱的实验模型。
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Granted publication date: 20210112 |
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