CN113267321A - 一种基于光热气泡床减阻表面的减阻系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了属于可再生能源利用领域的一种基于光热气泡床减阻表面的减阻系统及方法。该减阻系统包括：太阳光、带有凹坑的超疏水表面气泡床、针孔式测压计、流体管道、蓄水装置、水泵及控制阀。太阳光从上方射入到水平放置带有凹坑的超疏水表面，使凹坑内残留的空气形成的气泡膜；气液接触界面代替液固界面，控制气泡的成长，使气液接触界面代替液固界面，气液界面之间液体存在速度滑移，且气液界面处为无剪切力，改变了边界层条件，达到可控减阻的目的。本发明利用太阳能光热控制带有微纳多孔结构的超疏水表面气泡床减阻表面与系统，系统原理简单、稳定且操作简单，不需要人工控制；并为传统的表面微气泡减阻技术提出了新的思路及解决方案。

Description

一种基于光热气泡床减阻表面的减阻系统及方法
技术领域
本发明属于可再生能源利用领域，特别涉及一种基于光热气泡床减阻表面的减阻系统及方法。
背景技术
随着工业发展、社会进步，人类的生活要求越来越多的运输工具,从而使运输工具消耗的能源越来越多。于是，减少运输工具的能耗便成为许多国家的研究课题。对运输工具阻力的研究表明，边界层阻力占总阻力的大部分。以大型民航飞机为例,摩擦阻力几乎占飞机总阻力的50％。目前主要采用改变壁面边界条件的方法进行减阻，常见的方法有沟槽法，气泡法，柔壁法，温度控制法，仿生法等等。其中气泡法广泛的应用于船舶运输领域，微气泡减阻技术的基本工作原理可以认为是将空气介质或运输工具排出的烟气或废气引入船底表面，形成气液两相流，取代近壁区单纯的固液接触壁面，降低边界层的流体粘度和流动状态，将部分固液接触界面转变为无剪切应力的气液滑移界面，改变壁面湍流边界层的流动状态，从而降低固体壁面在流体介质中相互运动的壁面摩擦阻力。
太阳能作为一种新能源，具有资源总量大且易获取、清洁无污染、分布范围广泛等诸多优点，而在众多领域中有着极其重要的应用。传统的气泡减阻方法采用注入式气泡减阻，需要高压起源不断注入气泡，形成的气液层不稳定，耗能多且气泡作用范围有限，利用太阳能光热控制大面积的带有微纳多孔结构的疏水表面的气泡床，在整个流体域的边界层表面产生可控气泡，改变边界层条件。因此将太阳能引入光热控制气泡床减阻中，能够实现清洁、高效、可控减阻的目标。
发明内容
本发明的目的是提出一种基于光热气泡床减阻表面的减阻系统及方法，其特征在于，该减阻系统包括：太阳光、带有凹坑的超疏水表面气泡床、针孔式测压计、流体管道、蓄水装置、水泵及控制阀；
所述光热气泡床减阻表面的减阻系统包括太阳光1、超疏水表面的多孔微纳结构2、针孔式测压计3、控制阀4、循环水泵5、循环回路中的实验流体6、蓄水箱7；其中，超疏水表面的多孔微纳结构2、针孔式测压计3、控制阀4、循环水泵5、蓄水箱7通过循环回路中的实验流体6串联组成；太阳光1照射在超疏水表面的多孔微纳结构2上；所述超疏水表面的多孔微纳结构2水平放置在机架上，超疏水表面的多孔微纳结构2中包括实验流体6和超疏水表面的凹坑2-5；凹坑内残留的空气2-3与气泡膜2-4；太阳光1从上方射入到水平放置带有凹坑2-5的超疏水表面，使凹坑内残留的空气2-3的空气分子无规则热运动加剧，形成的气泡膜2-4；形成气液接触界面代替液固界面，控制气泡的成长，其一是超疏水表面水的接触区域减小，从而减小了固液界面之间的接触面积，其二是超疏水表面的凹坑区域会形成气液接触界面代替液固界面，气液界面之间液体存在速度滑移，且气液界面处可认为无剪切力，可以达到可观的减阻效果。
所述超疏水表面的多孔微纳结构的气泡床表面为超疏水表面，气泡床表面的孔洞呈现规则或周期性排列，确保了气泡床的稳定性；使气泡能够稳定均匀的吸附、停留在具有疏水性能的凹坑型表面微结构内，使固体壁面与液相流体相分离；即流体流经该流体域的时候不会完全的润湿浸满整凹坑，内部气体压力阻碍液体入侵，使凹坑内残留有空气，满足Cassie模型。
所述超疏水表面的多孔微纳结构的表面两端设置测压孔，利用针孔式测压计测量进出口两端的压差，用来表征该系统的减阻效率。
所述减阻系统的流体管道、蓄水装置、水泵及控制阀组成流体循环运输机构；该流体循环运输结构控制减阻系统的启闭以及流量大小。
所述超疏水表面的多孔微纳结构的气泡床底部采用带有凹坑的超疏水U型槽结构，凹坑位于U型槽底部，顶端采用二氧化硅结构，便于太阳光直射入U型槽底部，控制气泡的成长。
所述基于光热气泡床减阻表面的减阻系统的减阻方法，其特征在于，太阳光1从上方射入水平放置带有凹坑2-5的超疏水表面，控制凹坑2-5内残留的空气2-3，残留空气2-3在太阳光1的光热控制下，分子间的无规则热运动加剧，分子间距逐渐拉大，残留空气2-3形成的气泡逐渐成长，凹坑内的残留空气2-3与经过气泡床表面的流体6产生气液边界层，形成气泡膜2-4。气泡膜2-4与固体界面的接触角记作θ，当θ＜0时，气液界面为凹面，当θ＞0时，气液界面为凸面，超疏水表面的凹坑2-5大小相同，且呈现周期性分布，便于观察气泡的膨胀或收缩情况。
太阳能光热控制超疏水表面气泡床实验系统的工作流程为：开启控制阀4，实验流体6在系统中循环，通过控制阀改变实验流体6流速，控制实验流体6在气-固界面边界上存在边界滑移现象；通过光照控制气泡床，利用针孔式测压计3测得进出口压差，用来表征系统的减阻效率；其中，实验流体流经超疏水表面流体域，低流速时，气泡膜能够更好的吸附并固定在多孔凹坑内，此时的减阻效果更好。
综上所述，将太阳能光热控制引入气泡减阻中，通过太阳能光热控制带有多孔凹坑的超疏水表面残留的空气，形成气液接触界面代替液固界面，气液界面之间液体存在速度滑移，且气液界面处可认为无剪切力，可以达到可观的减阻效果，太阳光热控制改变气泡与固体表面的接触角θ，改变边界层条件，存在一个气固界面接触角度使得该结构下的超疏水表面减阻效率最大；气泡床表面凹坑沟槽间距和宽度更大将导致更大的顺流滑移长度；同时要意识到为使气泡床稳定，沟槽宽度应该很小，防止表面气泡床系统形成流体润湿凹槽的Wenzel模型，使用光热控制气泡床表面可以很好的解决这个问题；实验流体在固体表面运动时，可看作是无滑移边界条件，本质上看实验流体在气-固界面边界上存在边界滑移现象，滑移长度是由滑移表面外推到流体速度为零点到滑移表面的距离；边界滑移长度是评价固-液界面边界滑移的主要参数，用符号L表示，滑移边界条件为:
Figure BDA0003065419880000041
式中，vs为壁面上流体速度，
Figure BDA0003065419880000042
为流体速度梯度，L为滑移长度。
所述边界滑移长度是滑移行为的表征参数，而不是固-液界面的物理参数，同时，边界滑移长度也用来衡量流体与固体表面之间摩擦阻力，提高固-液界面边界滑移长度可以减少流体与固体表面之间摩擦阻力；研究结果表明，抗润湿表面即满足Cassie模型的超疏水气泡床表面具有更明显的界面滑移现象；疏水表面气泡床存在气层，流体流过气液界面，可以增加流体边界滑移长度，进而增强减阻效果。
所述的流体流速通过水泵和控制阀控制，采用低流速流经疏水表面。研究表明，在水流速度较大时，壁面疏水接触角的变化对壁面总阻力系数的变化影响不显著，壁面疏水接触角在低流速状态下对阻力系数有较大影响，且高流量的液体中可以存在很高的剪切力，从而使气泡表面变形，水流速度较低，有利于气泡的稳定吸附；其次，控制太阳光光强还可定向控制气泡的大小，从而可以灵活控制气液界面与气泡床表面的接触角。
本发明的有益效果是一种利用太阳能光热控制的气泡床减阻新技术；利用太阳能光热控制带有微纳多孔结构的超疏水表面气泡床减阻表面与系统，从而改变了边界层条件，达到可控减阻的目的。本发明具有如下优点：
(1)改变边界层条件，达到高效减阻的目的。
(2)提供的是一种表面减阻的方法与系统，系统原理简单、稳定且操作简单，应用于实际减阻过程中不需要人工控制。
(3)采用太阳光提供光热，清洁无污染，且由于太阳光的辐射的广泛性，实际运用过程中可利用在大面积的带有凹坑的粗糙表面减阻上。
(4)本发明为传统的表面微气泡减阻技术提出了新的思路及解决方案。
附图说明
图1为光热气泡床减阻表面的减阻系统示意图。
图2为光控超疏水表面气泡床原理图；其中，a为气泡膜与固体界面的接触角θ＜0时，气液界面为凹面；b为气泡膜与固体界面的接触角θ＞0时，气液界面为凸面。
具体实施方式
本发明提出一种基于光热气泡床减阻表面的减阻系统及方法。下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细说明。
该减阻系统包括：太阳光、带有凹坑的超疏水表面气泡床、针孔式测压计、流体管道、蓄水装置、水泵及控制阀；
图1所示为图1为光热气泡床减阻表面的减阻系统示意图。所述光热气泡床减阻表面的减阻系统包括太阳光1、超疏水表面的多孔微纳结构2、针孔式测压计3、控制阀4、循环水泵5、循环回路中的实验流体6、蓄水箱7；其中，超疏水表面的多孔微纳结构2、针孔式测压计3、控制阀4、循环水泵5、蓄水箱7通过循环回路中的实验流体6串联组成；太阳光1照射在超疏水表面的多孔微纳结构2上；在图2所述光控超疏水表面气泡床原理图中，所述超疏水表面的多孔微纳结构2水平放置在机架上，超疏水表面的多孔微纳结构2中包括实验流体6和超疏水表面的凹坑2-5；凹坑内残留的空气2-3与气泡膜2-4；太阳光1从上方射入到水平放置带有凹坑2-5的超疏水表面，使凹坑内残留的空气2-3的空气分子无规则热运动加剧，形成的气泡膜2-4；形成气液接触界面代替液固界面，气液界面之间液体存在速度滑移，且气液界面处可认为无剪切力，可以达到可观的减阻效果。
本发明特殊之处在于将太阳能光热控制引入气泡减阻中，通过太阳能光热控制带有多孔凹坑的超疏水表面残留的空气，形成气液接触界面代替液固界面，气液界面之间液体存在速度滑移，且气液界面处可认为无剪切力，可以达到可观的减阻效果，太阳光热控制改变气泡与固体表面的接触角，改变边界层条件，存在一个气固界面接触角度使得该结构下的超疏水表面减阻效率最大。气泡床表面凹坑沟槽间距和宽度更大将导致更大的顺流滑移长度；同时要意识到为使气泡床稳定，沟槽宽度应该很小，防止表面气泡床系统形成流体润湿凹槽的Wenzel模型，使用光热控制气泡床表面可以很好的解决这个问题。流体在固体表面运动时，一般认为是无滑移边界条件，本质上看流体在气-固界面边界上存在边界滑移现象，纳维最早提出滑移边界条件及滑移长度概念，滑移长度是由滑移表面外推到流体速度为零点到滑移表面的距离。边界滑移长度是评价固-液界面边界滑移的主要参数，用符号L表示，滑移边界条件为:
Figure BDA0003065419880000061
式中，vs为壁面上流体速度，
Figure BDA0003065419880000062
为流体速度梯度，L为滑移长度。
边界滑移长度是滑移行为的表征参数，而不是固-液界面的物理参数。同时，边界滑移长度也可以用来衡量流体与固体表面之间摩擦阻力，提高固-液界面边界滑移长度可以减少流体与固体表面之间摩擦阻力。研究结果表明，抗润湿表面即满足Cassie模型的超疏水气泡床表面具有更明显的界面滑移现象。疏水表面气泡床存在气层，流体流过气液界面，可以增加流体边界滑移长度，进而增强减阻效果。
基于太阳能光热控制超疏水表面气泡床实验系统的工作流程为：开启控制阀7，流体2在系统中循环，通过控制阀改变流体2流速，流速较低时，气泡膜能够更好的吸附并固定在多孔凹坑内，此时的减阻效果更好。流体流经超疏水表面流体域，通过光照控制气泡床，利用针孔式测压计6测得进出口压差，用来表征系统的减阻效率。
本发明提出太阳能光热控制含微纳多孔结构的超疏水表面气泡床及其减阻系统，提供了一种带有多孔凹坑的粗糙表面减阻方法。若流体在粗糙结构表面完全润湿，即液体浸入粗糙结构里面，此时液体与固体壁面完全接触，凹坑内无残留空气，该模型称为Wenzel模型，表面呈现亲水性，无法形成气液边界层，流体流动阻力明显很大；当流体部分润湿粗糙表面时，流体在边界层处部分处于固体表面，另一部分处于气体表面，凹坑内含有残存空气，该模型称为Cassie模型，表面呈现疏水性，通过太阳光控制超疏水表面凹坑内残存的空气，改变气液界面与固体表面的倾角，控制气泡床减阻。
基于太阳能光热控制具有多孔凹坑的超疏水表面气泡床的减阻原理为：多孔凹坑减小了流体在壁面附近的速度梯度和湍流强度，增大了疏水性表面与气相的接触面积，并且由于多孔凹坑对壁面气相的存储、保留作用使得壁面无剪切应力的气液滑移界面大幅度增加，气液界面之间液体存在速度滑移，且气液界面处可认为切应力很小，因而壁面总体的摩擦阻力可大幅度减小。气泡床表面不局限于微纳结构的超疏水表面，尺寸还可以拓展到宏观系统，只要是流体流经粗糙表面，凹坑内残留有空气或润滑油等其他减阻流体都可采用太阳能光热效应来控制气泡床减阻效果。
综上所述，本发明提出光热气泡床减阻表面及其减阻系统技术，利用太阳能光热控制超疏水表面上凹坑内稳定残留的空气泡，依据气体热胀冷缩的特性，控制气泡的大小，从而改变气泡与液体及固体表面的三相接触角，达到清洁、高效、节能及可控减阻的目的。由于太阳光获取的简易性以及太阳辐射的广泛性，可用于航空、航天、航海或军工等领域的壁面减阻需求，为表面微气泡减阻提供了一种全新的可行性方案。因此，该原理及系统具有很强的科学创新性及技术竞争力，有广泛的应用前景。

Claims (9)

1.一种基于光热气泡床减阻表面的减阻系统，其特征在于，该减阻系统包括：太阳光、带有凹坑的超疏水表面气泡床、针孔式测压计、流体管道、蓄水装置、水泵及控制阀；
所述光热气泡床减阻表面的减阻系统包括太阳光(1)、超疏水表面的多孔微纳结构(2)、针孔式测压计(3)、控制阀(4)、循环水泵(5)、循环回路中的实验流体(6)、蓄水箱(7)；其中，超疏水表面的多孔微纳结构(2)、针孔式测压计(3)、控制阀(4)、循环水泵(5)、蓄水箱(7)通过循环回路中的实验流体(6)串联组成；太阳光(1)照射在超疏水表面的多孔微纳结构(2)上；所述超疏水表面的多孔微纳结构(2)水平放置在机架上，超疏水表面的多孔微纳结构(2)中包括实验流体(6)和超疏水表面的凹坑(2-5)；凹坑内残留的空气(2-3)与气泡膜(2-4)；太阳光(1)从上方射入到水平放置带有凹坑(2-5)的超疏水表面，使凹坑内残留的空气(2-3)的空气分子无规则热运动加剧，形成的气泡膜(2-4)；形成气液接触界面代替液固界面，控制气泡的成长，其一是超疏水表面水的接触区域减小，从而减小了固液界面之间的接触面积，其二是超疏水表面的凹坑区域会形成气液接触界面代替液固界面，气液界面之间液体存在速度滑移，且气液界面处可认为无剪切力，可以达到可观的减阻效果。
2.根据权利要求1所述的基于光热气泡床减阻表面的减阻系统，其特征在于，所述超疏水表面的多孔微纳结构的气泡床表面为超疏水表面，气泡床表面的孔洞呈现规则或周期性排列，确保了气泡床的稳定性；使气泡能够稳定均匀的吸附、停留在具有疏水性能的凹坑型表面微结构内，使固体壁面与液相流体相分离；即流体流经该流体域的时候不会完全的润湿浸满整凹坑，内部气体压力阻碍液体入侵，使凹坑内残留有空气，满足Cassie模型。
3.根据权利要求1所述的基于光热气泡床减阻表面的减阻系统，其特征在于，所述超疏水表面的多孔微纳结构的表面两端设置测压孔，利用针孔式测压计测量进出口两端的压差，用来表征该系统的减阻效率。
4.根据权利要求1所述的基于光热气泡床减阻表面的减阻系统，其特征在于，所述减阻系统的流体管道、蓄水装置、水泵及控制阀组成流体循环运输机构；该流体循环运输结构控制减阻系统的启闭以及流量大小。
5.根据权利要求1所述的基于光热气泡床减阻表面的减阻系统，其特征在于，所述超疏水表面的多孔微纳结构的气泡床底部采用带有凹坑的超疏水U型槽结构，凹坑位于U型槽底部，顶端采用二氧化硅结构，便于太阳光直射入U型槽底部，控制气泡的成长。
6.一种权利要求1所述的基于光热气泡床减阻表面的减阻系统的减阻方法，其特征在于，太阳光(1)从上方射入水平放置带有凹坑(2-5)的超疏水表面，控制凹坑(2-5)内残留的空气(2-3)，残留空气(2-3)在太阳光(1)的光热控制下，分子间的无规则热运动加剧，分子间距逐渐拉大，残留空气(2-3)形成的气泡逐渐成长，凹坑内的残留空气(2-3)与经过气泡床表面的流体(6)产生气液边界层，形成气泡膜(2-4)。气泡膜(2-4)与固体界面的接触角记作θ，当θ＜0时，气液界面为凹面；当θ＞0时，气液界面为凸面，超疏水表面的凹坑(2-5)大小相同，且呈现周期性分布，便于观察气泡的膨胀或收缩情况；
太阳能光热控制超疏水表面气泡床实验系统的工作流程为：开启控制阀(4)，实验流体(6)在系统中循环，通过控制阀改变实验流体(6)流速，控制实验流体(6)在气-固界面边界上存在边界滑移现象；通过光照控制气泡床，利用针孔式测压计(3)测得进出口压差，用来表征系统的减阻效率；其中，实验流体流经超疏水表面流体域，低流速时，气泡膜能够更好的吸附并固定在多孔凹坑内，此时的减阻效果更好；
综上所述，将太阳能光热控制引入气泡减阻中，通过太阳能光热控制带有多孔凹坑的超疏水表面残留的空气，形成气液接触界面代替液固界面，气液界面之间液体存在速度滑移，且气液界面处可认为无剪切力，可以达到可观的减阻效果，太阳光热控制改变气泡与固体表面的接触角θ，改变边界层条件，存在一个气固界面接触角度使得该结构下的超疏水表面减阻效率最大；气泡床表面凹坑沟槽间距和宽度更大将导致更大的顺流滑移长度；同时要意识到为使气泡床稳定，沟槽宽度应该很小，防止表面气泡床系统形成流体润湿凹槽的Wenzel模型，使用光热控制气泡床表面可以很好的解决这个问题。
7.根据权利要求6所述的基于光热气泡床减阻表面的减阻系统的减阻方法，其特征在于，实验流体在固体表面运动时，可看作是无滑移边界条件，本质上看实验流体在气-固界面边界上存在边界滑移现象，滑移长度是由滑移表面外推到流体速度为零点到滑移表面的距离；边界滑移长度是评价固-液界面边界滑移的主要参数，用符号L表示，滑移边界条件为：
Figure FDA0003065419870000031
式中，vs为壁面上流体速度，
Figure FDA0003065419870000032
为流体速度梯度，L为滑移长度。
8.根据权利要求6所述的基于光热气泡床减阻表面的减阻系统的减阻方法，其特征在于，所述边界滑移长度是滑移行为的表征参数，而不是固-液界面的物理参数，同时，边界滑移长度也用来衡量流体与固体表面之间摩擦阻力，提高固-液界面边界滑移长度可以减少流体与固体表面之间摩擦阻力；研究结果表明，抗润湿表面即满足Cassie模型的超疏水气泡床表面具有更明显的界面滑移现象；疏水表面气泡床存在气层，流体流过气液界面，可以增加流体边界滑移长度，进而增强减阻效果。
9.根据权利要求6所述的基于光热气泡床减阻表面的减阻系统的减阻方法，其特征在于，所述的流体流速通过水泵和控制阀控制，采用低流速流经疏水表面。研究表明，在水流速度较大时，壁面疏水接触角的变化对壁面总阻力系数的变化影响不显著，壁面疏水接触角在低流速状态下对阻力系数有较大影响，且高流量的液体中可以存在很高的剪切力，从而使气泡表面变形，水流速度较低，有利于气泡的稳定吸附；其次，控制太阳光光强还可定向控制气泡的大小，从而可以灵活控制气液界面与气泡床表面的接触角。
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