CN112550552A - 一种具有润湿阶跃效应的气膜减阻模型及其制备方法 - Google Patents

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田桂中
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Abstract

本发明公开一种具有润湿阶跃效应的气膜减阻模型及其制备方法，包括模型试样，模型试样由多块亲水区域和疏水区域组成，并且每个亲水区域和每个疏水区域呈相间排布，亲水区域形状为凹坑,每个所述亲水区域的静态接触角小于90°，每个所述疏水区域的静态接触角大于150°。通过在模型表面构建亲疏水相间的网格结构，能在壁面产生润湿阶跃效应，产生约束液‑气‑固三相接触线移动的束缚力；本方案采用激光烧蚀的方法在试样表面构建规则微结构特征形貌，辅助以低表面能物质硬脂酸修饰降低表面自由能，构筑亲疏水相间的超疏水表面以达到减阻效果。与现有技术方案相比，本发明操作简单易行，加工效率高、成本低，对环境无危害等优点。

Description

一种具有润湿阶跃效应的气膜减阻模型及其制备方法
技术领域
本发明属于水下减阻技术领域，具体涉及一种具有润湿阶跃效应的气膜减阻模型及其制备方法。
背景技术
微波随着海洋开发和海防形势的变化，我国对海洋的探索和开发不断由近海向远海、深海延伸，而对深海的探索研究多数依靠水下航行器完成，减少航行体阻力降低单位航程内航行器的能源消耗，增加航行器航程和有效工作时间具有重要的现实意义。此外，海运由于其低廉的航运成本，具有无可比拟的成本优势，成为全球货物运输的主要方式，随着石油资源的枯竭以及全球气候变暖的加剧也对有效降低船舶航行阻力，减少能源消耗提出了更高的要求。
受自然界疏水现象启发。越来越多国内外学者开始关注仿生疏水材料在水下减阻方面的潜在应用。随着科学技术的发展，制备超疏水表面的方法也越来越多样，技术也愈加成熟，使得研究超疏水表面减阻有着十分现实的意义。众多学者证实超疏水表面能够减阻源于超疏水表面微结构上产生一层气膜，使得原来的部分固液界面接触变为气液界面接触，原有的无滑移壁面被部分滑移壁面替代。超疏水表面在水下的减阻效果与微结构尺寸、气膜厚度，气膜尺寸等相关。通过提高封存气膜的面积和厚度将能够有效提升超疏水表面水下减阻效果。实验发现，在来流速度较低时，水下超疏水表面气膜完整，具有良好的减阻效果。但由于超疏水表面的气膜会在来流的剪切作用下不断消失，并且随着来流速度的增加和时间的累计，超疏水表面的气膜完全消失，减阻也随之消失，可能会因为表面微结构较高的粗糙度增大出现粗糙增阻的现象；与此同时，随气膜尺寸增大, 其封存难度也随之提高。因此,如何在超疏水表面存留稳定的气膜成为研究超疏水表面水下减阻的关键。
现有技术中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超疏水表面气膜在水流冲刷作用下的动态补充，但成本昂贵，结构复杂，能耗较高，实际应用的难度很大。或者也有技术中使用涂层构筑超疏水表面，利用润湿性调控在固体表面构建亲疏水相间的区域，实现水下固体表面的气膜封存，但是涂层含有毒物质，耐久性不足，容易丧失减阻效果，且价格昂贵，不适合大规模使用。为了针对上述缺陷，本发明研制出一种能够解决上述问题的技术方案是亟需必要的。
发明内容
本方案为避免现有技术存在的缺陷，克服现有技术适用流速小、设备复杂、价格昂贵、耐久性不好、能耗高等难题。提供一种绿色、高效、操作简单的亲疏水相间超疏水表面及构建方法，本发明根据亲疏水交界处接触角滞后特性，可以实现气膜在表面微结构内部的稳定驻留,提出一种基于激光烧蚀的制备方法和气膜减阻模型。
本发明所采用的技术方案是：一种具有润湿阶跃效应的气膜减阻模型，包括模型试样，模型试样由多块亲水区域和疏水区域组成，并且每个亲水区域和每个疏水区域呈相间排布，亲水区域形状为凹坑,每个所述亲水区域的静态接触角小于90°，每个所述疏水区域的静态接触角大于150°。
一种具有润湿阶跃效应的气膜减阻模型的制备方法，包括如下步骤：
步骤一、预处理：试样规格尺寸为50 mm×50 mm×5 mm，依次采用400#-2000#金相砂纸，在金相试样预磨机盘上打磨模型试样表面，至表面无明显划痕；在金相试样抛光机上将模型试样抛光至表面无划痕；将模型试样分别依次用丙酮、乙醇、去离子水超声波清洗清洗10-15min，并在温度为105~110℃的干燥箱中干燥15-20min；
步骤二、烧蚀处理：采用FB20-1型激光打标机，功率10W，频率10KHz，扫描速度150mm/s，扫描间距80 μm，扫描次数1次，对模型试样进行加工；
步骤三、表面清洗: 模型试样经过激光烧蚀后，表面残留有激光烧蚀产生的熔融物喷射、飞溅在材料表面，经冷却凝固形成重铸层；将模型试样放在无水乙醇浴中超声波清洗10-15min以去除表面污物；
步骤四、硬脂酸修饰处理：利用电子天平制备0.01mol/L的硬脂酸溶液，溶剂为无水乙醇，将模型试样放置在硬脂酸溶液中浸泡60-90 min后，放置在60℃~75℃烘箱中干燥20-30 min；
步骤五、亲水区域加工：用步骤二中激光烧蚀模型试样的工艺参数对模型试样所设计的亲水区域进行再次烧蚀加工凹坑，凹坑间距为3 mm，凹坑深度分别为0.4 mm、0.9mm、1.2mm和1.6mm；原有的低表面能物质硬脂酸被去除，此时再次加工的区域呈现亲水性。
采用激光烧蚀方式在模型试样表面构建微结构特征形貌，步骤二中的烧蚀加工采用的十字网格填充方法，步骤二中的烧蚀加工中凹坑间距为d1=8～105mm，凹坑直径d2=2～6mm，凹坑深度为0.3～2.1mm。步骤二中的工艺参数为功率10W～20W，频率10～15KHz，扫描速度150～350mm/s，扫描间距80～110μm，扫描次数1-3次。步骤二中的网格结构设置单个网纹间距为80～100μm，连续网纹夹角为90°。
相对于现有技术，本发明的有益效果在于：
(1)本发明根据不同润湿性交界处会产生较大接触角滞后特性，通过在试样表面构建亲疏水相间的微观结构，产生润湿阶跃效应，实现气膜在超疏水微结构内部的稳定驻留，减阻效果良好，减阻量最大达20.3%；解决了现有技术存在的气膜容易流失问题；
(2)本发明可以通过控制不同的工艺参数，产生不同的可控润湿梯度，有利于控制减阻效果；
(3)本发明采用的激光加工效率高，成本低廉，便于大尺寸加工;相比涂层，激光烧蚀和硬脂酸试剂绿色无毒，对环境友好,应用前景广阔；
通过实验证明，利用亲疏水交界处的接触角滞后特性，形成润湿阶跃，产生束缚固-液-气三相接触线移动的束缚力，可以实现气膜在亲疏水表面微结构内部的稳定驻留。由于模型表面的一部分超疏水区域与水流之间的固-液接触被低摩擦阻力的气-液接触表面所取代，由于气体的低粘度、低摩擦阻力，从而能显著减少壁面切应力，降低模型阻力。经过测试，带有亲疏水相间结构的模型表面在凹坑深度为在最大来流速度为0.7m/s时冲刷气膜保持稳定，没有被来流冲刷走，减阻效果达到最大为20.3%。
附图说明
图1是本发明的流程图；
图2是亲疏水相间结构示意图；
图3是亲疏水相间结构的截面图；
图4是试样加工表面；
图5亲疏水相间结构微观结构图；
图6气膜破坏临界流速随凹坑深度的变化曲线；
其中，1-亲水区域，2-疏水区域。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例，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，说明书中给出了本发明的较佳实施例。本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例，相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
实施例，参照附图1-6，本实施例所用的试样规格为50 mm×50 mm×5 mm。激光烧蚀质量与试样表面的预处理密切相关，确保试样烧蚀之前无氧化层，对试样需要进行打磨—抛光—清洗—干燥。
一种具有润湿阶跃效应的气膜减阻模型，模型试样由多块亲水区域1和多块疏水区域2组成，并且每个亲水区域1和每个疏水区域2呈相间排布。采用激光烧蚀工艺在模型试样表面构建微结构特征形貌，并将模型试样放置在低表面能物质硬脂酸溶液内，从而降低金属表面自由能。
本发明还研制出一种具有润湿阶跃效应的气膜减阻模型的制备方法，包括以下步骤：
(1)预处理：依次采用400#-2000#金相砂纸，在金相试样预磨机盘上打磨模型试样表面，至表面无明显划痕；在金相试样抛光机上将模型试样抛光至表面无划痕；将模型试样依次分别用丙酮、无水乙醇和去离子水超声波清洗机清洗10-15 min，并在温度为105-110℃的干燥箱中干燥15-20 min；
(2)烧蚀处理：采用FB20-1型激光打标机，功率10W，频率10KHz，扫描速度150mm/s，扫描间距100mm，扫描次数1次，对模型试样进行加工；
(3)表面清洗: 模型试样经过激光烧蚀后，表面残留有激光烧蚀产生的熔融物，喷射、飞溅在材料表面，经冷却凝固形成重铸层；将模型试样放在无水乙醇浴中超声波清洗10-15min以去除表面污物；
(4)硬脂酸修饰：利用电子天平制备0.01mol/L的硬脂酸溶液，溶剂为无水乙醇，将模型试样放置在硬脂酸溶液中浸泡60-90 min后，放置在60℃~75℃烘箱中干燥20-30min；
(5)亲水区域加工：用步骤(2)激光烧蚀模型试样的工艺参数对设计模型试样的亲水区域进行再次烧蚀加工凹坑，凹坑间距为3 mm，凹坑深度分别为0.4 mm、0.9mm、1.2mm和1.6mm；原有的低表面能物质硬脂酸被去除，此时再次加工的区域呈现亲水性。最后通过仿真计算将不同凹坑深度时气膜破坏临界流速对比，仿真结果显示凹坑深度为0.4mm时，气膜破坏临界流速为0.3 m/s;凹坑深度为0.9mm时，临界流速为0.52m/s，凹坑深度为1.2mm时，临界流速为0.63m/s，凹坑深度为1.6mm时，临界流速为0.7m/s。
附图2是亲疏水相间结构示意图，d1为凹坑间距，d2为凹坑深度，图3是亲疏水相间结构的截面图,h也为凹坑深度,即d2。
以上仅为本发明的较佳实施例，但并不限制本发明的专利范围，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来而言，其依然可以对前述各具体实施方式所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等效替换。凡是利用本发明说明书内容所做的等效结构，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理在本发明专利保护范围之内。

Claims (6)

1.一种具有润湿阶跃效应的气膜减阻模型，包括模型试样，其特征在于，模型试样由多块亲水区域和疏水区域组成，并且每个亲水区域和每个疏水区域呈相间排布，亲水区域形状为凹坑,每个亲水区域的静态接触角小于90°，每个疏水区域的静态接触角大于150°。
2.一种具有润湿阶跃效应的气膜减阻模型的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、预处理：依次采用400#-2000#砂纸，在金相试样预磨机盘上打磨模型试样表面，至表面无明显划痕，在金相试样抛光机上将模型试样抛光至表面无划痕，将模型试样依次分别用丙酮、无水乙醇和去离子水超声波清洗机清洗10-15 min，并在温度为105℃-110℃的干燥箱中干燥15-20 min；
步骤二、烧蚀处理：采用FB20-1型纳秒激光打标机，设置激光器工艺参数，对模型试样进行加工，在试样表面加工出规则网格结构；
步骤三、表面清洗: 模型试样经过激光烧蚀后，将模型试样放在无水乙醇浴中超声波清洗10-15min以去除表面污物；
步骤四、硬脂酸处理：利用电子天平制备0.01mol/L的硬脂酸溶液，溶剂为无水乙醇，将模型试样放置在硬脂酸溶液中浸泡60-90 min后，放置在60℃~75℃烘箱中干燥20-30 min；
步骤五、亲水区域加工：用步骤二中激光烧蚀模型试样的工艺参数对模型试样的亲水区域进行再次烧蚀，去除原有的低表面能物质硬脂酸，此时再次加工的区域呈现亲水性。
3.如权利要求2所述的一种具有润湿阶跃效应的气膜减阻模型的制备方法，其特征在于，采用激光烧蚀方式在模型试样表面构建微结构特征形貌。
4.如权利要求3所述的一种具有润湿阶跃效应的气膜减阻模型的制备方法，其特征在于，步骤二中的烧蚀加工采用的十字网格填充方法。
5.如权利要求4所述的一种具有润湿阶跃效应的气膜减阻模型的制备方法，其特征在于，步骤二中的工艺参数为功率10W～20W，频率10～15KHz，扫描速度150～350mm/s，扫描间距80～110μm，扫描次数1-3次。
6.如权利要求5所述的一种具有润湿阶跃效应的气膜减阻模型的制备方法，其特征在于，步骤二中的网格结构设置单个网纹间距为80～100μm，连续网纹夹角为90°。
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