CN110702600A - 一种利用耦合实现减阻目的的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种利用耦合实现减阻目的的方法，包括下列步骤：步骤一、使用管件作为喷涂基底，在管件的外圆周表面上喷涂一层天然乳胶乳液；步骤二、喷涂完成后，待天然乳胶乳液固化，固化后的天然乳胶乳液在管件的外圆周面上形成天然乳胶薄膜，然后将管件和天然乳胶薄膜转移至水箱中进行浸泡；步骤三、将天然乳胶薄膜由管件上剥离，将天然乳胶薄膜套在同心转筒实验装置的内转子的外表面，内转子外圆周面上具有轴向沟槽或径向沟槽；步骤四、将套设有天然乳胶薄膜的内转子安装在同心转筒实验装置上，同心转筒实验装置能够输出并显示扭矩值，故可以根据所得到的沟槽耦合天然乳胶薄膜的扭矩值和光滑平面的扭矩值，根据公式计算出相对减阻率。

Description

一种利用耦合实现减阻目的的方法
技术领域
本发明涉及流体运动技术领域，特别是涉及一种利用耦合实现减阻目的的方法。
背景技术
Taylor-Couette装置是一种由内转子和外转子组成的同心转筒实验装置，内转子和外转子之间存有间隙，可以储存液体，根据内外转子的运动情况，可以分为3种情况，内转子转动，外转子静止；内转子静止，外转子转动；内外转子都转动。该装置可以用来进行减阻实验的测量，根据实验装置输出界面所显示的参数可以得到并计算出相应的参数，比如粘度，扭矩，减阻率等相关参数。
现有的利用Taylor-Couette装置实现内转子减阻目的主要包括以下几种方法：第一种就是通过化学改性，将内转子表面变成疏水/超疏水表面，从而实现减阻的目的，这种方法的缺点就是疏水/超疏水表面的耐久性存在问题，在水下不能长时间的维持疏水/超疏水的性质；第二种就是在内转子表面加工出微米级的径向沟槽，通过沟槽内产生二次涡达到减阻的目的，但是这种减阻方法的减阻效果不明显；第三种就是通过加入高分子聚合物来达到减阻的目的，但是这种方法需要外部不断提供高分子聚合物，这就额外增加了能源消耗；第四种主要方法就是对内转子进行加热，让其表面形成一层气泡，从而让内转子表面的固-液接触变成固-气-液接触，减小摩擦力，从而达到减阻的目的，但这种方法也需要不断对内转子表面进行加热，这也就在无形中消耗了外部能量。
因此，如何改变现有技术中，利用Taylor-Couette装置的内转子减阻方法存在可靠性差、需要额外能源消耗的现状，成为了本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用耦合实现减阻目的的方法，以解决上述现有技术存在的问题，提高利用Taylor-Couette装置实现减阻目的的可靠性，同时减少额外能源消耗。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种利用耦合实现减阻目的的方法，包括如下步骤：
步骤一、使用管件作为喷涂基底，在管件外元周面上喷涂一层天然乳胶乳液；
步骤二、喷涂完成后，待天然乳胶乳液固化，固化后的天然乳胶乳液在管件外圆周面上形成天然乳胶薄膜，然后将管件和天然乳胶薄膜转移至水箱中进行浸泡；
步骤三、将天然乳胶薄膜由管件上剥离，将天然乳胶薄膜套在同心转筒实验装置的内转子的外表面，内转子外圆周面上具有轴向沟槽或径向沟槽；
步骤四、将套设有天然乳胶薄膜的内转子安装在同心转筒实验装置上，在每次更换内转子后都对装置进行回零校正，以保证实验的准确性；因为同心转筒实验装置能够直接输出并显示扭矩值，故可以根据所得到的沟槽耦合天然乳胶薄膜的内转子的扭矩值和内转子为光滑平面的扭矩值，根据公式计算出相对减阻率。
优选地，在步骤一中，管件采用亚克力材质制成，在管件外圆周面上喷涂天然乳胶乳液时，喷涂速度为150mL/min，管件与喷枪之间的距离为20cm。
优选地，步骤二中，完成喷涂后，天然乳胶乳液在25℃环境下固化2小时。
优选地，步骤二中，管件和天然乳胶薄膜转移至水箱中进行浸泡，浸泡时间为3个小时。
优选地，在步骤一中，管件的数量为三个，三个管件的直径分别为33mm、40mm、50mm，管件的高度为12cm，喷涂天然乳胶乳液的重量均为15g。
优选地，步骤二中，得到的天然乳胶薄膜的平均厚度为280±10μm，将由三个不同直径的管件上得到的天然乳胶薄膜分别套装于内转子的外圆周面上进行实验，内转子的直径为60mm，内转子的高度为10cm。
优选地，内转子上设置径向沟槽时，内转子的径向沟槽为圆环形，多个径向沟槽沿内转子的轴线方向等间距均布，径向沟槽侧轴向截面为U形，相邻的径向沟槽的间距为1-3mm，径向沟槽的深度为2mm；内转子上设置轴向沟槽时内转子的轴向沟槽为长条形，轴向沟槽侧径向截面为U形，多个轴向沟槽于内转子的外圆周面上周向均布，相邻的轴向沟槽的间距为1-3mm，轴向沟槽的深度为2mm。
优选地，内转子上设置径向沟槽或轴向沟槽时，径向沟槽或轴向沟槽与内转子顶面的距离、径向沟槽或轴向沟槽与内转子底面之间的距离均为5mm。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：本发明的利用耦合实现减阻目的的方法，包括下列步骤：步骤一、使用管件作为喷涂基底，在管件的外圆周面上喷涂一层天然乳胶乳液；步骤二、喷涂完成后，待天然乳胶乳液固化，固化后的天然乳胶乳液在管件的外圆周面形成天然乳胶薄膜，然后将管件和天然乳胶薄膜转移至水箱中进行浸泡；步骤三、将天然乳胶薄膜由管件上剥离，将天然乳胶薄膜套在同心转筒实验装置的内转子的外表面，内转子具有轴向沟槽或径向沟槽；步骤四、将套设有天然乳胶薄膜的内转子安装在同心转筒实验装置上，在每次更换内转子后都对装置进行回零校正，以保证实验的准确性；因为同心转筒实验装置能够直接输出并显示扭矩值，故可以根据所得到的沟槽耦合柔弹性天然乳胶薄膜的内转子的扭矩值和内转子为光滑平面的扭矩值，根据公式计算出相对减阻率。本发明的利用耦合实现减阻目的的方法，内转子表面具有轴向沟槽或径向沟槽，利用天然乳胶乳液成膜后所具有的弹性和柔性，通过天然乳胶薄膜耦合在内转子表面上，把空气封存在沟槽内，这样内转子在转动的时候，薄膜和沟槽以及封存在沟槽内的空气就相当于空气弹簧，能够吸收附近流体所产生的湍流脉动，达到了水下可持续减阻的目的，将内转子安装在Taylor-Couette装置上，无需额外的能源消耗，即可实现可持续减阻的目的。本发明的减阻方法，简单易操作、可行性高，天然乳胶乳液容易获得，内转子的沟槽结构容易加工。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的天然乳胶薄膜制作流程以及实现减阻目的的方法的示意图；
图2为本发明的利用耦合实现减阻目的的方法的内转子设置径向沟槽时的结构示意图；
其中，1为管件，2为带有径向沟槽的内转子，3为同心转筒实验装置。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种利用耦合实现减阻目的的方法，以解决上述现有技术存在的问题，提高利用Taylor-Couette装置实现减阻目的的可靠性，同时减少额外能源的消耗。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
请参考图1-2，其中，图1为本发明的天然乳胶薄膜制作流程以及实现减阻目的的方法的示意图，图2为本发明的利用耦合实现减阻目的的方法的内转子设置径向沟槽时的结构示意图。
本发明提供一种利用耦合实现减阻目的的方法，包括如下步骤：
步骤一、使用管件1作为喷涂基底，在管件1的外圆周面上喷涂一层天然乳胶乳液；
步骤二、喷涂完成后，待天然乳胶乳液固化，固化后的天然乳胶乳液在管件1的外圆周面形成天然乳胶薄膜，然后将管件1和天然乳胶薄膜转移至水箱中进行浸泡；
步骤三、将天然乳胶薄膜由管件1上剥离，将天然乳胶薄膜套在同心转筒实验装置3的内转子2的外表面，内转子2具有轴向沟槽或径向沟槽；
步骤四、将套设有天然乳胶薄膜的内转子2安装在同心转筒实验装置3上，在每次更换内转子2后都对装置进行回零校正，以保证实验的准确性；因为同心转筒实验装置3能够直接输出并显示扭矩值，故可以根据所得到的套设有天然乳胶薄膜的内转子2时输出的扭矩值和光滑平面的内转子2时输出的扭矩值，根据公式计算出相对减阻率。
本发明的利用耦合实现减阻目的的方法，内转子2表面具有轴向沟槽或径向沟槽，利用天然乳胶乳液成膜后所具有的弹性和柔性，通过天然乳胶薄膜耦合在内转子2表面上，把空气封存在沟槽内，这样内转子2在转动的时候，薄膜和沟槽以及封存在沟槽内的空气就相当于空气弹簧，能够吸收附近流体所产生的湍流脉动，达到水下可持续减阻的目的，将内转子2安装在Taylor-Couette装置上，无需额外的能源消耗，即可方便地计算出相对减阻率。本发明的减阻方法，简单易操作、可行性高，天然乳胶乳液容易获得，内转子2的沟槽结构容易加工。
具体地，在步骤一中，管件1采用亚克力材质制成，亚克力材质容易获得，且亚克力具有良好的稳定性和耐候性；在管件1外圆周面上喷涂天然乳胶乳液时，喷涂速度为150mL/min，管件1与喷枪之间的距离为20cm。
另外，步骤二中，完成喷涂后，天然乳胶乳液在25℃环境下固化2小时，天然乳胶乳液固化后成为天然乳胶薄膜。
为了减小天然乳胶薄膜和管件1的粘附力，步骤二中，管件1和天然乳胶薄膜转移至水箱中进行浸泡，浸泡时间为3个小时，浸泡后操作者可以容易地将天然乳胶薄膜从管件1表面剥离而不损伤天然乳胶薄膜，保护天然乳胶薄膜完整性，提高实验精度。
更具体地，在本具体实施方式中，管件1的数量为三个，三个管件1的直径分别为33mm、40mm、50mm，三个管件1的高度均为12cm，喷涂天然乳胶乳液的重量均为15g，待天然乳胶乳液固化后，得到的天然乳胶薄膜的平均厚度为280±10μm，将由三个不同直径的管件1上得到的天然乳胶薄膜分别套装于内转子2上进行实验，内转子2的直径为60mm，内转子2的高度为10cm。在实验过程中，可以控制管件1的直径以达到控制所制作的天然乳胶薄膜的直径的目的。操作还可以通过控制所配比的天然乳胶的质量，来控制乳胶薄膜的厚度，方便地进行减阻目的的验证实验，从而在耦合到径向沟槽或轴向沟槽表面之后，更好的适应流体环境，达到不同的减阻效果。
进一步地，内转子2上设置径向沟槽时，内转子2的径向沟槽为圆环形，多个径向沟槽沿内转子2的轴线方向等间距均布，径向沟槽侧轴向截面为U形，相邻的径向沟槽的间距为1-3mm，径向沟槽的深度为2mm；内转子2上设置轴向沟槽时内转子2的轴向沟槽为长条形，轴向沟槽侧径向截面为U形，多个轴向沟槽于内转子2的外圆周面上周向均布，相邻的轴向沟槽的间距为1-3mm，轴向沟槽的深度为2mm。将上述不同管件1作基底得到的天然乳胶薄膜套装于不同的内转子2上，可以得到不同情况下的相对减阻率，同时，操作者可以根据实验结果实现在不同流体环境下，调整乳胶薄膜和内转子2的参数，从而更好地适应流体环境，达到不同的减阻率。
更进一步地，内转子2上设置轴向沟槽时，轴向沟槽的两端与内转子2的顶面和底面之间均具有间隙，在本具体实施方式中，轴向沟槽与内转子2的顶面之间的距离、轴向沟槽与内转子2的底面之间的距离均为5mm。同样地，内转子2上设置径向沟槽时，径向沟槽的两端与内转子2的顶面、底面之间的距离均为5mm。
本发明的利用耦合实现减阻目的的方法，无需外部能源的额外消耗，简单易行，本发明直接利用天然乳胶成膜后所具有的弹性和柔性，将环状的整体式天然乳胶薄膜套装在具有沟槽的内转子2表面上，来达到减阻的目的。本发明中，轴向沟槽、径向沟槽均是毫米级别的，简单易加工，可行性高；天然乳胶原料容易获得，并且喷涂工艺和设备比较成熟，容易实现天然乳胶的喷涂，并且可以直接通过控制所喷涂的天然乳胶乳液的质量控制乳胶薄膜的厚度；轴向沟槽或径向沟槽尺寸可以进行变化，本发明中沟槽的间距从1～3mm内变化。此处需要说明的是，本发明中提及的同心转筒实验装置3和Taylor-Couette装置均属于同一类型实验装置，属于现有技术，但是装置型号等不受限制，以能够实现本发明的实验为准。
本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种利用耦合实现减阻目的的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、使用管件作为喷涂基底，在管件的外圆周面上喷涂一层天然乳胶乳液；
步骤二、喷涂完成后，待天然乳胶乳液固化，固化后的天然乳胶乳液在管件的外圆周面上形成天然乳胶薄膜，然后将管件和天然乳胶薄膜转移至水箱中进行浸泡；
步骤三、将天然乳胶薄膜由管件上剥离，将天然乳胶薄膜套在同心转筒实验装置的内转子的外表面，内转子外圆周面上具有轴向沟槽或径向沟槽；
步骤四、将套设有天然乳胶薄膜的内转子安装在同心转筒实验装置上，在每次更换内转子后都对装置进行回零校正，以保证实验的准确性；因为同心转筒实验装置能够直接输出并显示扭矩值，故可以根据所得到的沟槽耦合天然乳胶薄膜的内转子的扭矩值和内转子为光滑平面的扭矩值，根据公式计算出相对减阻率。
2.根据权利要求1所述的利用耦合实现减阻目的的方法，其特征在于：在步骤一中，管件采用亚克力材质制成，在管件外圆周面上喷涂天然乳胶乳液时，喷涂速度为150mL/min，管件与喷枪之间的距离为20cm。
3.根据权利要求1所述的利用耦合实现减阻目的的方法，其特征在于：步骤二中，完成喷涂后，天然乳胶乳液在25℃环境下固化2小时。
4.根据权利要求3所述的利用耦合实现减阻目的的方法，其特征在于：步骤二中，管件和天然乳胶薄膜转移至水箱中进行浸泡，浸泡时间为3个小时。
5.根据权利要求2所述的利用耦合实现减阻目的的方法，其特征在于：在步骤一中，管件的数量为三个，三个管件的直径分别为33mm、40mm、50mm，管件的高度为12cm，喷涂天然乳胶乳液的重量均为15g。
6.根据权利要求5所述的利用耦合实现减阻目的的方法，其特征在于：步骤二中，得到的天然乳胶薄膜的平均厚度为280±10μm，将由三个不同直径的管件上得到的天然乳胶薄膜分别套装于内转子的外圆周面上进行实验，内转子的直径为60mm，内转子的高度为10cm。
7.根据权利要求6所述的利用耦合实现减阻目的的方法，其特征在于：内转子上设置径向沟槽时，内转子的径向沟槽为圆环形，多个径向沟槽沿内转子的轴线方向等间距均布，径向沟槽侧轴向截面为U形，相邻的径向沟槽的间距为1-3mm，径向沟槽的深度为2mm；内转子上设置轴向沟槽时，内转子的轴向沟槽为长条形，轴向沟槽侧径向截面为U形，多个轴向沟槽于内转子的外圆周面上周向均布，相邻的轴向沟槽的间距为1-3mm，轴向沟槽的深度为2mm。
8.根据权利要求7所述的利用耦合实现减阻目的的方法，其特征在于：内转子上设置径向沟槽或轴向沟槽时，径向沟槽或轴向沟槽与内转子顶面的距离、径向沟槽或轴向沟槽与内转子底面之间的距离均为5mm。
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