CN113650721B - 一种通用的圆柱表面空泡气膜形成、调控及减阻方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种通用的，在不同浸润性圆柱体表面形成入水空泡，进一步调控水下气泡的形态，最终实现水下减阻的方法；将仿生技术与气膜减阻技术相结合，有效地提高水下减阻效率，制作成本和维护成本相对低廉；采用的原料均无毒无放射作用，不会对环境产生不良作用。
Description
技术领域
本发明涉及水下航行器高速低耗技术领域，尤其涉及一种空泡气膜形成，调控及减阻的方法。
背景技术
航行速度，能耗效率与续航能力是水下航行器重要的技术指标，提高这些技术指标的主要限制因素是航行器在水下航行时面临的巨大的流动阻力。有研究表明，物体在水中航行时的阻力要比在空气中大接近1000倍，其主要原因是水的动力学粘度比空气高两个数量级，密度比空气高三个数量级。因此，通过在航行器表面引入一层气体润滑层，使得气液界面取代固液界面可以有效地降低水下航行器的阻力，提高航行器的速度和能耗效率。
目前，在固体表面引入气体润滑层的方法可以分为以下两类：第一类是主动生成气膜法，主要包括高速自然超空泡法，微气泡注入法，高温界面Leidenfrost法和电解法。主动生成气膜法可以达到非常高的减阻效率，以自然超空泡和Leidenfrost法为例，由于航行器的表面完全被气膜所包围，其减阻效率可以达到90％。但是由于气膜生成的条件一般比较苛刻，因此主动生成气膜法的能耗也非常高，同时，气膜以及微气泡的破裂也会对航行器的表面造成损伤。另一类是被动气膜维持法，主要包括在航行器表面引入超疏水(superhydrophobic)或者超疏液(superomniphobic)的表面的方法。超疏水表面的低表面能物质可以阻止水向微纳结构中的浸润，从而在水下维持住一层气膜。然而，超疏水表面较差的机械性能和较高的制造成本限制了超疏水表面的大规模应用。因此，开发一种高效率、低能耗并且不依赖于超疏水表面的通用固体表面气膜生成和维持技术是非常有必要的。
自然界中，很多生物都有操控和稳定气液界面的能力。水黾是一种生活在水面上的小型昆虫，可以在水面上行走和漂浮而不发生沉没。这种水上行走的能力源于水黾腿的超疏水特性，密集排列的疏水刚毛使得水无法浸润从而稳定气液界面。同时，稳定的气液界面在超疏水腿的作用下发生弯折，表面张力的合力为水黾提供足够的支持力。然而，对于一些大型的生物而言，仅仅依靠表面张力的作用是无法稳定气液界面从而实现水上行走的。主要原因是表面张力正比于面积，也就是特征长度的平方，而重力则正比于体积，是特征长度的三次方。因此，生物体的特征长度越大，重力的影响也就越大。在中南美洲的热带雨林里，一种名为“蛇怪蜥蜴”的小型爬行动物可以在水面上高速奔跑。这种蜥蜴的体重约为90g，仅靠爪子或者四肢的表面张力根本无法平衡重力。这种蜥蜴采取了另一种策略来实现水上行走，通过不断地用爪子敲击水面从而形成并稳定入水空泡，依靠入水空泡周围液体的流体压力来平衡身体的重力。为了尽可能的提供足够大的支撑力，蛇怪蜥蜴在进化过程中优化了爪子的形状以及入水的姿势，从而尽可能的稳定气液界面而不发生破裂。目前现有的技术在低速、不依靠加热等外界条件作用下，只能依靠超疏水涂层的方法在固体表面束缚气膜，疏水、亲水和超亲水的表面无法束缚气膜。结合生物体水上行走机理，可以研发一种除了界面疏水化的方法以外，在“不同浸润性表面”通过设计航行器特定的几何结构以及跨介质入水等方法来帮助气液界面的形成和稳定，从而有利于水下减阻的方法。
发明内容
本发明中，我们将仿生制备的圆柱体与受蜥蜴启发的跨介质入水的入水空泡产生策略相结合，有效地调控入水空泡及水下空泡的形态，提高水下减阻效率。本发明解决了目前技术的不足，可以使得气膜不仅在超疏水表面上形成，而且能在“非超疏水表面”表面上形成，即在不同浸润性表面上形成(包括超亲水、亲水、疏水和超疏水)，从而解决现有水下减阻技术中能耗高、对航行器表面有损伤、和维护成本高等问题，该方法能耗低，不需要外界加热、电解等条件，可以在较低的速度条件下在不同浸润性的表面维持气膜，制作成本和维护成本相对低廉，采用的原料均无毒无放射作用，不会对环境产生不良作用。为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
一种在不同浸润性固体表面构筑和维持气层润滑膜的方法，将仿生技术与水下减阻技术相结合，仿照蛇怪蜥蜴的脚趾形状，有效提高减阻效率，降低能耗，而且对环境无害。具体步骤如下：
圆柱体以一定的速度竖直撞击水面，圆柱裹挟一定量的气体形成入水空泡，空泡包裹圆柱的侧面以及上表面(圆柱体入水的端面定义为下表面，相对的另一端面为上表面)，形成气膜润滑层，并伴随着圆柱的下落运动而不发生脱落。
所述的圆柱为密度大于水的圆柱体，优选可以为铜柱或者表面镀铜的钢柱，其表面浸润性可以为超亲水，亲水，疏水，和超疏水。
所述亲水固体表面的制备方法为将圆柱先后用去离子水，乙醇，0.2mol/L的盐酸溶液，0.2mol/L的氢氧化钠溶液以及去离子水超声清洗表面，最后用氮气吹干备用，记为第一步；
所述超亲水固体表面的制备方法为分别配置2-10mol/L的的氢氧化钠水溶液和0.2-2mol/L的过硫酸铵的水溶液，将两种溶液混合，制备出刻蚀溶液，将第一步清洗干净的仿生圆柱浸泡入第二步配置好的刻蚀液中，浸泡时间为5到10分钟，后用去离子水和乙醇清洗圆柱表面，并用氮气吹干，记为第二步；
所述疏水和超疏水固体表面的制备方法为称取约0.4mg的正十六硫醇溶于约100ml的乙醇中，制备表面疏水化溶液，将第一步和第二步得到的圆柱体在疏水化溶液中浸泡12-24小时，分别得到疏水和超疏水的圆柱体。
本发明提供不同浸润性仿生圆柱体的制备方法，其包括：
第一步，圆柱表面的清洗
第二步，表面刻蚀液的制备及圆柱表面的刻蚀
第三步，表面疏水化处理及圆柱体的保存
所述第一步具体为，将圆柱先后用去离子水，乙醇，0.2mol/L的盐酸溶液，0.2mol/L的氢氧化钠溶液以及去离子水超声清洗表面，最后用氮气吹干备用。这一步可以得到亲水的圆柱体。
所述第二步具体为，分别配置2-10mol/L的的氢氧化钠水溶液和0.2-2mol/L的过硫酸铵的水溶液，将两种溶液按一定的比例混合，制备出刻蚀溶液。将第一步清洗干净的仿生圆柱浸泡入第二步配置好的刻蚀液中，浸泡时间为5到10分钟，后用去离子水和乙醇清洗圆柱表面，并用氮气吹干。这一步可以得到超亲水的圆柱体。
所述第三步具体为，称取约0.4mg的正十六硫醇溶于约100ml的乙醇中，制备表面疏水化溶液。将第一步和第二步得到的圆柱体在疏水化溶液中浸泡12-24小时，可以分别得到疏水和超疏水的圆柱体。将不同浸润性的圆柱分别用氮气吹干后，保存在充满氮气的保干器中。
本发明提供一种圆柱表面入水空泡及水下空泡形态调控的方法，其包括：
对上述一到三步制备圆柱体下表面的圆形棱角修饰以不同曲率半径的半圆形倒角，用以控制入水空泡和水下空泡的形态。同时，倒角的半径不超过圆柱的半径。
本发明将以上制备的不同浸润性和不同倒角半径的圆柱，应用在减阻技术上。
第一步用一个高度1.5m以上的长方形有机玻璃水槽装一定量去离子水作为减阻测试的场所。将制备得到的圆柱体固定在离水面一定高度的位置，使圆柱体自由下落并以一定的速度撞击自由水面后，在水槽内保持一定的速度下落。
第二步利用高速摄像机，记录不同释放高度、不同浸润性、不同倒角直径的圆柱体在水下特定深度范围内的速度和水下空泡形态，进行减阻性能的评估。当圆柱达到匀速运动状态时，其处于受力平衡的状态，流动阻力与浮力的合力与重力的大小相等，方向相反。我们把气泡与圆柱看作是一个整体，根据流体力学原理，运动速度快的圆柱所收到的阻力更小。
本发明的减阻原理主要是：水下空泡的存在可以同时减少圆柱体运动过程中受到的摩擦阻力和压差阻力。用于圆柱体的侧面完全被空泡气膜所包裹，气膜的粘度和密度远低于水，附着的气膜作为润滑层减小了摩擦阻力；另一方面，空泡的存在起到了修型的作用，使得圆柱体的整体形态变成了流线体，从而抑制了边界层分离减少了压差阻力。尽管空泡的附着增大了浮力，但从能量和阻力的角度来说，水下空泡减小了圆柱体下落过程中的能量损失和阻力损失，提高了圆柱体下落的速度。
本发明的有益效果：
本发明提供不同浸润性圆柱表面空泡气膜形成、调控及减阻方法，将跨介质入水的入水空泡产生策略与气膜减阻技术相结合，有效提高水下减阻效率，使得气膜不仅在超疏水表面上形成，而且能在“非超疏水表面”表面上形成，即在不同浸润性表面上形成(包括超亲水、亲水、疏水和超疏水)，从而解决现有水下减阻技术中能耗高、对航行器表面有损伤、和维护成本高等问题，该方法能耗低，不需要外界加热、电解等条件，可以在较低的速度条件下在不同浸润性的表面维持气膜，制作成本和维护成本相对低廉，采用的原料均无毒无放射作用，不会对环境产生不良作用。
附图说明
图1是不同倒角、不同表面结构的圆柱体的光学照片和电镜照片；(a)光滑圆柱的光学照片和电镜照片；(b)刻蚀液浸泡后的圆柱的光学照片和电镜照片。
图2减阻能力评估装置的结构图。
图3圆柱撞击水面后，气液界面的变化过程和入水空泡的形成过程。
图4不同浸润性的圆柱释放高度为30厘米时，水下空泡形态及倒角对空泡形态的影响。
图5释放高度为30cm时，不同浸润性、不同倒角半径的圆柱水下平衡速度。
具体实施方式
下面结合图1-5和实施例详细描述本发明，但实施例不应限制本发明的范围。
实施例1：将直径为30毫米，高50毫米的镀铜钢圆柱先后用去离子水，乙醇，0.2mol/L的盐酸溶液，0.2mol/L的氢氧化钠溶液以及去离子水超声清洗表面，最后用氮气吹干备用。圆柱体下表面的圆形棱角预先已经修饰以不同曲率半径的半圆形倒角，其半径为0mm，1mm，2mm，3mm，4mm。这一步可以得到光滑亲水的圆柱体。然后，分别配置4mol/L的的氢氧化钠水溶液和0.3mol/L的过硫酸铵的水溶液，将两种溶液按1:1的比例混合，制备出刻蚀溶液。将清洗干净的仿生圆柱浸泡入配置好的刻蚀液中，浸泡时间为5到10分钟，后用去离子水和乙醇清洗圆柱表面，并用氮气吹干。这一步可以得到表面覆盖有纳米线结构的超亲水的圆柱体。
所制得的光滑亲水圆柱和微纳结构覆盖的超亲水圆柱的电镜图(扫描电子显微镜，Quanta 250FEG，德国FEI公司)如图1所示。
称取约0.4mg的正十六硫醇溶于约100ml的乙醇中，制备表面疏水化溶液。将光滑亲水和刻蚀后的超亲水圆柱体在疏水化溶液中浸泡12-24小时，可以分别得到疏水和超疏水的圆柱体。将不同浸润性的圆柱分别用氮气吹干后，保存在充满氮气的保干器中。
将制备得到的圆柱体用图2所示的装置进行减阻效果的测试，长方形有机玻璃槽的尺寸为高150cm，长20cm，宽15cm。所用的高速摄像机为英国IX公司ispeed-3高速摄像机，记录入水空泡的形成过程，如图3所示。圆柱体的下落高度为30cm。随着圆柱的下落，空泡经历了拉长、中部收缩、断裂的过程。入水空泡的下半部分在空泡断裂后依然保持在圆柱体的表面，没有发生脱落。进一步测量测量水下不同释放高度(例如圆柱体自由释放的高度为0cm，10cm，20cm，30cm和40cm，对应的撞击水面的速度为0m/s，1.414m/s，2m/s，2.449m/s，和2.828m/s，这个速度由自由落体速度计算出)、不同浸润性(包括超亲水、亲水、疏水和超疏水)、不同倒角直径(例如圆柱体下表面的圆形棱角预先已经修饰以不同曲率半径的半圆形倒角，其半径为0mm，1mm，2mm，3mm，4mm)的圆柱体在水下70-90cm范围内的速度和水下空泡形态，进行减阻性能的评估。
水下空泡的形态如图4所示。在不同浸润性圆柱的表面均有空泡气膜的附着，整体形态呈现水滴形。除下底面外，圆柱的其他部分均被空泡气膜所包裹。随着倒角半径的增大，水下空泡的最大直径变小，证明倒角半径可以有效调节水下空泡气膜的形态。
水下圆柱体的速度如图5所示。对于相同倒角半径的圆柱，表面浸润性对平衡速度的影响很小。而随着倒角半径的增加，圆柱的平衡速度也相应的增大。结合图4中水下空泡最大直径随着倒角半径增加而减小的结论，我们可以得出结论，通过调节倒角的半径大小可以有效调控空泡气膜的形态进而调控圆柱的平衡速度，实现减阻。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明做其他形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡事未脱离基本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (4)
1.一种在不同浸润性固体表面构筑和维持气层润滑膜的方法，将仿生技术与水下减阻技术相结合，具体步骤如下：
圆柱体以一定的速度竖直撞击水面，圆柱体裹挟一定量的气体形成入水空泡，空泡包裹圆柱体的侧面以及上表面，形成气膜润滑层，并伴随着圆柱体的下落运动而不发生脱落；所述空泡的存在起到修型的作用，使圆柱体的整体变为流线体，抑制边界层分离减小压差阻力；其特征是：
对所述圆柱体下表面的圆形棱角修饰以不同曲率半径的半圆形倒角，用以控制入水空泡及水下空泡的形态，
所述倒角的半径不超过圆柱体的半径，
随着所述倒角半径的增大，水下空泡的最大直径变小，所述倒角半径有效调节水下空泡气膜的形态，对于相同倒角半径的圆柱，表面浸润性对平衡速度的影响很小，随着倒角半径的增加，圆柱体的平衡速度相应的增大，通过调节倒角的半径大小有效调控空泡气膜的形态进而调控圆柱的平衡速度，实现减阻。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是：所述的圆柱体的密度大于水。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征是：不同浸润性固体表面为超亲水，亲水，疏水，和超疏水固体表面。
4.权利要求1-3任一项所述的在不同浸润性固体表面构筑和维持气层润滑膜的方法在水下空泡减阻过程中的应用。
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