CN111623955B - 一种基于安培力调控壁面形态的装置及调控方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于安培力调控壁面形态的装置及调控方法，由控制电源、实验板、可调电阻、亥母霍兹环组成；可调电阻与控制电源、导线连接形成闭合回路。实验板表面为弹性材料，其内部设有金属导线，实验板放置在亥母霍兹环中心部位，亥母霍兹环位于实验管道外侧。控制电源通过可调电阻为实验板和亥母霍兹环供电,亥母霍兹环在闭合回路中提供稳定的匀强磁场。控制电源通过改变电压，可调电阻改变阻值，均可实现各闭合回路中电流的不同值，实现安培力大小的调节，使得导线在安培力作用下实现实验板表面弹性材料的形变。安培力可根据电源电压和可调电阻阻值调节，通过安培力调节，实现壁面的不同位置处的形变，精准调节壁面的形态。

Description

一种基于安培力调控壁面形态的装置及调控方法
技术领域
本发明涉及水下减阻技术领域，具体地说，涉及一种基于安培力调控壁面形态的装置及调控方法。
背景技术
水下航行器及船舶舰艇在航行过程中，受到极大的摩擦阻力，约占总阻力的70％，鱼雷表面甚至高达80％，所以减小摩擦阻力有着极大的工程应用价值。现有减阻方式都存在着一定的优势与不足，发明专利CN106675397A公开了一种“磁控表面减阻材料及其制备方法”，通过将磁性颗粒均匀分散于聚合物基体，制备表面粗糙度可调的磁控表面；然而受到磁性颗粒分散均匀程度的影响，较难精准实现满足所需粗糙度的表面，且制备过程繁琐。发明专利CN106585949A提出了“一种仿生鲨鱼皮减阻结构”，该减阻结构利用介电弹性体、柔性电极层和纳米线导电涂层制备仿鲨鱼皮的网状结构，通过施加电压实现介电弹性体表面变形，达到类似鲨鱼皮肤的沟槽效果，然而仍存在薄膜的制备复杂以及纳米导电涂层的破损和造价昂贵等问题。发明专利CN108454780B涉及了“一种仿生物表皮参数可调减阻装置”，通过液压控制实现减阻支撑件运动的精确调控，但个减阻支撑件工作是同时的，无法实现不同位置处的表面光滑、沟槽、凸起及凹坑等减阻表面。
柔性壁面减阻方法最早源于科研人员受海豚高速游动的启发，模仿海豚皮肤利用弹性橡胶制作了“人造海豚皮肤”，实现柔性壁面的制备。将人造的柔性壁面在湍流状态下进行拖拉试验，得到明显的减阻效果。相较于刚性壁面，相同实验条件下柔性壁面的摩擦力和相干结构强度都有一定程度降低。有研究人员认为柔性壁面减阻主要有两个原因：一是缓解了由于外区高速流体冲入内区的扫掠过程产生的巨大壁面摩擦阻力，二是降低了相干结构所占有的能量比率和发生概率，对相干结构产生了抑制。柔性壁面减阻方法通过壁面的形变来对流场产生一定的响应，减小近壁区的动量传递，实现减阻效果。
发明内容
为了避免现有技术存在的不足，本发明提出一种基于安培力调控壁面形态的装置及调控方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:包括控制电源、导线、实验板、亥母霍兹环、可调电阻，其特征在于所述可调电阻与控制电源、导线连接形成闭合回路，所述实验板表面为弹性材料，其内部设有金属导线，所述控制电源通过可调电阻、导线为实验板和亥母霍兹环供电；根据安培力公式F＝BIL，式中,F为导线所受安培力，B为磁场强度，I为回路电流值，L为导线在闭合回路中的有效长度；
所述亥母霍兹环在闭合回路中提供稳定匀强磁场，控制电源通过改变电压，可调电阻改变阻值均可实现各闭合回路中电流的不同值，进而实现安培力大小的调节，使得导线在安培力作用下实现实验板表面弹性材料的形变；所述实验板放置在亥母霍兹环中心部位，为金属导线提供稳定匀强磁场；所述亥母霍兹环位于实验管道外侧。
一种采用基于安培力调控壁面形态的装置进行调控的方法，其特征在于包括以下步骤:
步骤1.制作弹性薄膜成型模具；将金属导线按线性阵列顺序放置在模具中，金属导线数量n＝L/m，式中，L为模具总长度，m为相邻导线的间距；
步骤2.向模具中浇筑熔融态的弹性薄膜，当熔融态的弹性薄膜凝固后，使金属导线埋置在弹性薄膜材料内；
步骤3.采用3M胶水将弹性薄膜材料边缘胶沾于实验板表面边缘；
步骤4.将与金属导线数量一致的可调电阻连接于相互独立闭合回路中，互不影响；
步骤5.设置亥母霍兹环和实验板的相对位置，将实验板放置在亥母霍兹环中心位置，为金属导线提供稳定均匀的匀强磁场；
步骤6.在控制电源、导线和可调电阻形成的回路中，通过改变控制电源电压，电压范围为0～24V，或者可调电阻的阻值，阻值范围为0～1000Ω，来改变不同回路的电流值大小，获得不同位置处导线所受安培力大小的不同，进而实现实验板表面弹性薄膜材料的光滑沟槽、减阻表面结构。
有益效果
本发明提出的一种基于安培力调控壁面形态的装置及调控方法，由控制电源、导线、实验板、可调电阻、亥母霍兹环组成；其中，可调电阻与控制电源、导线连接形成闭合回路。实验板表面为弹性材料，其内部设有金属导线，电源通过可调电阻，导线为实验板和亥母霍兹环供电；亥母霍兹环在闭合回路中提供稳定的匀强磁场，电源通过改变电压，可调电阻改变阻值均可实现各闭合回路中电流的不同值，进而实现安培力大小的调节，使得导线在安培力作用下实现实验板表面弹性材料的形变。实验板放置于亥母霍兹环中心位置，为金属导线提供稳定均匀的匀强磁场；亥母霍兹环放置在实验管道外侧。
本发明与现有技术相比，具有以下特点:
安培力可根据控制电源电压和可调电阻阻值调节；通过安培力调节，实现壁面的不同位置处的形变，以实现壁面形态的精准调控。
实验装置结构简单，操作方便，成本较低，利于大规模制造。
附图说明
下面结合附图和实施方式对本发明一种基于安培力调控壁面形态的装置及调控方法作进一步详细说明。
图1为基于安培力调控壁面形态的装置示意图。
图2为实验板和亥母霍兹环相对位置的轴测图。
图3(a)、图3(b)、图3(c)为弹性薄膜变形的效果图。
图中
1.控制电源 2.可调电阻 3.导线 4.实验板 5.亥母霍兹环 6.实验管道
具体实施方式
本实施例是一种基于安培力调控壁面形态的装置及调控方法。
参阅图1、图2、图3(a)、图3(b)、图3(c)，本实施例基于安培力调控壁面形态的装置由控制电源1、导线3、实验板4、亥母霍兹环5和可调电阻2组成；其中，可调电阻2与控制电源1、导线3连接形成闭合回路。实验板4表面为弹性材料，其内部埋设有金属导线，控制电源1通过可调电阻2，导线3为实验板4和亥母霍兹环5供电。根据安培力公式F＝BIL，式中,F为导线所受安培力，B为磁场强度，I为回路电流值，L为导线在闭合回路中的有效长度。
亥母霍兹环5在闭合回路中提供稳定的匀强磁场，控制电源1通过改变电压，可调电阻2改变阻值均可实现各闭合回路中电流的不同值，进而实现安培力大小的调节，使得导线在安培力作用下实现实验板4表面弹性材料的形变。实验板4放置在亥母霍兹环5中心部位，为金属导线提供稳定的匀强磁场；亥母霍兹环5安装在实验管道6外侧。
基于安培力调控壁面形态装置，本实施例还提出一种壁面形态调控的方法，其特征在于包括以下步骤:
第一步.制作弹性薄膜成型模具；将金属导线按线性阵列顺序放置在模具中，金属导线数量n＝L/m，式中，L为模具总长度，m为相邻导线的间距；
第二步.向模具中浇筑熔融态的弹性薄膜，当熔融态的弹性薄膜凝固后，使金属导线埋置在弹性薄膜材料内；
第三步.采用3M胶水将弹性薄膜材料边缘胶连于实验板表面边缘；
第四步.将与金属导线数量一致的可调电阻连接于相互独立闭合回路中，互不影响；
第五步.将实验板放置于亥母霍兹环中间部位，为金属导线提供稳定均匀的匀强磁场；
第六步.在控制电源、导线和可调电阻形成的回路中，通过改变控制电源电压，电压范围0～24V，或者可调电阻的阻值，阻值范围0～1000Ω，来改变不同回路的电流值大小，获得不同位置处导线所受安培力大小的不同，进而实现实验板表面弹性薄膜材料的光滑沟槽的减阻表面结构。
实施例1
(1)制作尺寸为100mm×100mm×2mm的弹性薄膜成型模具，将金属导线依次排列放入模具中；
(2)采用橡胶，或PDMS材料，将其放入电阻炉内加热至400℃～500℃，达到熔融状态后倒入模具内，获得内部埋藏金属导线的弹性橡胶薄膜；
(3)采用3M胶水将弹性薄膜材料边缘胶粘于实验板表面边缘，并确保薄膜整体存在变形的空间；
(4)选择100个可调电阻，阻值范围0～1000Ω，并与100根金属导线及电源形成相互独立的闭合回路，互不影响；
(5)将实验板安装在实验管道内，亥母霍兹环安装在实验管道外部，为弹性橡胶薄膜内100根金属导线提供稳定均匀的匀强磁场；
(6)通过控制电源输入电压U在0～24V范围内及电压方向，调节每个独立回路中的可调电阻R值来调整电流值I＝U/R，进而实现安培力大小的调节，在图3(a)中，使得a1-a2、a2-a3、a3-a4、a4-a5四个围范内的各25根金属导线所受安培力方向均为负y方向，形成凹坑的形状，来实现弹性薄膜材料表面的正弦沟槽几何结构。
实施例2
(1)制作长×宽×高为100mm×100mm×2mm的弹性薄膜成型模具，将金属导线依次排列放入模具中；
(2)采用橡胶，或PDMS材料，将其放入电阻炉内加热至400℃～500℃，达到熔融状态后倒入模具内，获得内部埋藏金属导线的弹性橡胶薄膜；
(3)采用3M胶水将弹性薄膜材料边缘胶连于实验板表面边缘，并确保薄膜整体存在变形的空间；
(4)选择100个可调电阻，阻值范围0～1000Ω，并与100根金属导线及电源形成相互独立的闭合回路，互不影响；
(5)将实验板安装在实验管道内，亥母霍兹环放置在实验管道外部，为弹性橡胶薄膜内100根金属导线提供稳定均匀的匀强磁场；
(6)通过控制电源输入电压U在0～24V范围内及电压方向，调节每个独立回路中的可调电阻R值来调整电流值I＝U/R，进而实现安培力大小的调节，在图3(b)中，使得b1-b2、b3-b4、b5-b6、b7-b8、b9-b10五个围范内的各10根金属导线所受安培力方向均为负y方向，而b2-b3、b4-b5、b6-b7、b8-b9、b10-b1五个围范内的各10根金属导线所受安培力方向均为正y方向，形成矩形凹坑的形状，来实现弹性薄膜材料表面的矩形沟槽几何结构。
实施例3
(1)制作长×宽×高为100mm×100mm×2mm的弹性薄膜成型模具，将金属导线依次排列放入模具中；
(2)采用橡胶或PDMS材料，将其放入电阻炉内加热至400℃～500℃，达到熔融状态后倒入模具内，获得内部埋藏金属导线的弹性橡胶薄膜；
(3)采用3M胶水将弹性薄膜材料边缘胶连于实验板表面边缘，并确保薄膜整体存在变形的空间；
(4)选择100个可调电阻，阻值范围0-1000Ω，并与100根金属导线及电源形成相互独立的闭合回路，互不影响；
(5)将实验板安装在实验管道内，亥母霍兹环放置在实验管道外部，为弹性橡胶薄膜内100根金属导线提供稳定均匀的匀强磁场；
(6)通过控制电源输入电压U在0～24V范围内及电压方向，调节每个独立回路中的可调电阻R值来调整电流值I＝U/R，进而实现安培力大小的调节，在图3(c)中，使得点c1、c2、c3、c5、c6、c7、c8、c9、c10处的各10根金属导线所受安培力方向均为负y方向，形成三角形凹坑的形状，来实现弹性薄膜材料表面的三角形沟槽几何结构。

Claims (2)

1.一种基于安培力调控壁面形态的装置，其特征在于:包括控制电源、导线、实验板、亥母霍兹环、可调电阻，所述可调电阻与控制电源、导线连接形成闭合回路，所述实验板表面为弹性材料，其内部设有金属导线，所述控制电源通过可调电阻、导线为实验板和亥母霍兹环供电；根据安培力公式F＝BIL，式中,F为导线所受安培力，B为磁场强度，I为回路电流值，L为导线在闭合回路中的有效长度；
所述亥母霍兹环在闭合回路中提供稳定匀强磁场，控制电源通过改变电压，可调电阻改变阻值均可实现各闭合回路中电流的不同值，进而实现安培力大小的调节，使得导线在安培力作用下实现实验板表面弹性材料的形变；所述实验板放置在亥母霍兹环中心部位，为金属导线提供稳定匀强磁场；所述亥母霍兹环位于实验管道外侧。
2.一种采用权利要求1所述基于安培力调控壁面形态的装置进行调控的方法，其特征在于包括以下步骤:
步骤1.制作弹性薄膜成型模具；将金属导线按线性阵列顺序放置在模具中，金属导线数量n＝L/m，式中，L为模具总长度，m为相邻导线的间距；
步骤2.向模具中浇筑熔融态的弹性薄膜，当熔融态的弹性薄膜凝固后，使金属导线埋置在弹性薄膜材料内；
步骤3.采用3M胶水将弹性薄膜材料边缘胶沾于实验板表面边缘；
步骤4.将与金属导线数量一致的可调电阻连接于相互独立闭合回路中，互不影响；
步骤5.设置亥母霍兹环和实验板的相对位置，将实验板放置在亥母霍兹环中心位置，为金属导线提供稳定均匀的匀强磁场；
步骤6.在控制电源、导线和可调电阻形成的回路中，通过改变控制电源电压，电压范围为0～24V，或者可调电阻的阻值，阻值范围为0～1000Ω，来改变不同回路的电流值大小，获得不同位置处导线所受安培力大小的不同，进而实现实验板表面弹性薄膜材料的减阻表面结构。
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