CN114810742B - 一种多尺度流动控制的减摩阻装置及制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种多尺度流动控制的减摩阻装置及制造方法，属于流动控制技术领域，条状等离子体涡流发生器与沟槽壁面依次沿流向交替排列，条状等离子体涡流发生器形成沿展向排布的流向涡阵列，限制湍流边界层内大尺度流动结构的展向不规则运动，降低中高雷诺数下大尺度流动结构所引起的摩阻成分；沟槽壁面降低湍流边界层内近壁流动结构引起的壁面摩阻，对近壁区小尺度流动结构加以控制；在等离子体涡流发生器所产生的流向涡阵列与沟槽壁面的共同作用范围内形成针对多尺度流动结构控制的区域。本发明通过对湍流边界层内外区大尺度流动结构及近壁区小尺度流动结构的不规则运动共同施加控制，从而降低其所对应的摩阻成分，降低总阻力，提高减阻效果。
Description
技术领域
本发明涉及流动控制技术领域，特别是涉及一种针对湍流边界层内多尺度流动结构控制的减摩阻装置及制造方法。
背景技术
气动阻力是航空飞行器高速运动时所付出的必要代价。其中，因飞行器表面与流体的相对运动所引发的摩擦阻力约占其气动总阻力的50％。而对于大型飞行器而言，大量摩阻则由附着其表面的湍流边界层所产生。因此，针对湍流边界层开展减摩阻研究有助于显著降低飞行器的飞行总阻力。
在给定的来流条件与飞行器气动外形下，往往通过控制湍流边界层内多尺度的流动结构来实现摩阻的降低。沟槽壁面技术因具有无需能量注入、易于工程部署、附加质量低、不破坏机体结构等优点，成为在航空飞行器上最具有广泛应用前景的被动式减阻流动控制技术。然而，沟槽减阻目前尚未得到大规模应用。除了沟槽加工、敷装与维护困难外，以下问题也限制着沟槽减阻效果：
(1)沟槽减阻对来流条件要求较为苛刻，然而在实际应用中特征雷诺数跨度大，往往难以在较广的时空范围内保持沟槽的最优减阻条件，因而在偏离设计雷诺数时出现摩阻增加的现象。
(2)真实工况的流动复杂多变，当地来流往往同沟槽主方向并不重合，使得实际减阻效果显著降低甚至出现增阻的风险。
(3)湍流边界层中存在尺度丰富的流动结构。中高雷诺数下湍流边界层外区大尺度流动结构(尺寸大于边界层名义厚度)对近壁摩阻的影响愈发明显，此时仅通过控制近壁面小尺度流动结构(尺寸小于边界层名义厚度)来实现摩阻降低的效果较为有限。
发明内容
本发明的目的是提供一种多尺度流动控制的减摩阻装置及制造方法，对湍流边界层内大尺度流动结构、小尺度流动结构两种模态共同施加控制，提高减阻效果。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种多尺度流动控制的减摩阻装置，所述减摩阻装置包括：条状等离子体涡流发生器和沟槽壁面；
条状等离子体涡流发生器和沟槽壁面的数量相同且均至少为一个；条状等离子体涡流发生器与沟槽壁面依次沿流向交替排列；
所述条状等离子体涡流发生器用于形成沿展向排布的流向涡阵列，降低湍流边界层内大尺度结构不规则流动行为引起的壁面摩阻；
所述沟槽壁面用于降低湍流边界层内近壁小尺度流动结构引起的壁面摩阻。
可选的，在法向上，条状等离子体涡流发生器与沟槽壁面布置于同一固壁面高度上；在流向上，条状等离子体涡流发生器布置于气流的上游，沟槽壁面布置于气流的下游，沟槽壁面前缘紧贴条状等离子体涡流发生器后缘；在展向上，条状等离子体涡流发生器与沟槽壁面的展向宽度一致。
可选的，所述条状等离子体涡流发生器包括：绝缘介质层、多条上电极和多条下电极；
多条下电极均设置于绝缘介质层内部，多条下电极沿展向依次均匀排布；多条上电极位于绝缘介质层上；
多条上电极和多条下电极的长边均平行于流向，多条上电极和多条下电极沿展向依次交替排布，相邻上电极的间距与下电极的宽度相等，下电极位于相邻上电极之间区域的正下方；
多条上电极和多条下电极用于形成电场，在形成的电场作用下使相邻上电极之间的近壁面气体形成展向对吹射流，并在来流的作用下形成一对反向排列的流向涡，多条上电极共同作用构成沿展向排布的流向涡阵列。
可选的，所述条状等离子体涡流发生器还包括：上公共电极、下公共电极、交流电源和电压测量装置；
绝缘介质层的前缘设置沿展向延伸的上公共电极，绝缘介质层的后缘设置沿展向延伸的下公共电极；
多条上电极均与上公共电极连接，多条下电极均与下公共电极连接；上公共电极和下公共电极分别连接交流电源的两端；电压测量装置的两端分别与上公共电极和下公共电极连接。
可选的，所述沟槽壁面为由多个沿流向延伸并沿展向依次排列的沟槽形成的壁面结构。
一种如前述的减摩阻装置的制造方法，所述制造方法包括：
分别确定条状等离子体涡流发生器和沟槽壁面的几何参数；
根据条状等离子体涡流发生器的几何参数，制造条状等离子体涡流发生器；
根据沟槽壁面的几何参数，使用聚二甲基硅氧烷聚合物翻模工艺制造沟槽壁面；
将加工好的条状等离子体涡流发生器与沟槽壁面依次沿流向交替排列，构成减摩阻装置。
可选的，所述分别确定条状等离子体涡流发生器和沟槽壁面的几何参数，具体包括：
利用公式λ＝200v/uτ，确定条状等离子体涡流发生器中相邻上电极的间距；式中，λ为相邻上电极的间距，v为运动粘性系数，uτ为壁面摩擦速度；
利用公式s＝h＝15v/uτ，确定沟槽壁面的沟槽宽度和沟槽深度；式中，s为沟槽宽度，h为沟槽深度。
可选的，所述根据条状等离子体涡流发生器的几何参数，制造条状等离子体涡流发生器，具体包括：
采用聚酰亚胺薄膜作为绝缘介质层，双导铜胶带作为下电极及下公共电极，梳齿状铜箔作为上电极及上公共电极；作为下电极的双导铜胶带的宽度等于相邻上电极的间距；
将下电极沿展向依次均匀内置于绝缘介质层中，并将上电极按照相邻上电极的间距设置于绝缘介质层上，使得上电极和下电极的长边均平行于流向，上电极和下电极沿展向依次交替排布，相邻上电极的间距与下电极的宽度相等，且下电极位于相邻上电极之间区域的正下方；
将上公共电极和下公共电极分别内埋于绝缘介质层的前缘与后缘。
可选的，所述根据沟槽壁面的几何参数，使用聚二甲基硅氧烷聚合物翻模工艺制造沟槽壁面，具体包括：
沟槽壁翻模模具的加工方法为：当沟槽壁面的沟槽宽度大于或等于宽度阈值(阈值约为0.5mm，为大面积机械加工的极限尺寸)时，使用CNC加工金属沟槽壁翻模模具，或使用3D打印的方式制作非金属沟槽壁翻模模具；当沟槽壁面的沟槽宽度小于宽度阈值时，使用表面为半圆弧形的PVC成品光栅膜作为翻模模板，并将PVC成品光栅膜固定在翻模模具底部，一起构成沟槽壁翻模模具；所述沟槽壁翻模模具的尺寸符合沟槽壁面的几何参数；
沟槽壁柔性薄膜的制备过程包括：
令聚二甲基硅氧烷胶体与正硅酸乙酯固化剂按重量10∶1混匀，形成胶体聚合物；
使胶体聚合物在真空干燥箱中于0.1MPa下持续抽真空40分钟，以排出胶体聚合物中肉眼可见的气泡；
将排除气泡后的胶体聚合物倒入沟槽壁翻模模具并充满整个沟槽壁翻模模具；
对沟槽壁翻模模具中的胶体聚合物再次抽真空至表面无气泡析出，使胶体聚合物充满沟槽壁翻模模具的沟槽结构；
在真空干燥箱内对盛有胶体聚合物的沟槽壁翻模模具进行一次调平；
在真空干燥箱内于40℃环境下对沟槽壁翻模模具内的胶体聚合物持续加热至胶体聚合物表面呈现半固化的状态并不再流动后取出；
使用热缩膜包裹的玻璃盖板对沟槽壁翻模模具内各处胶体聚合物的高度进行限位，以控制胶体聚合物各处的厚度一致；
将覆盖玻璃盖板的沟槽壁翻模模具放入真空干燥箱再次调平，并在40℃环境下再次加热至胶体聚合物表面完全固化；
分离玻璃盖板与沟槽壁翻模模具，并切割沟槽壁翻模模具内的胶体聚合物至所需尺寸，形成沟槽壁柔性薄膜。
可选的，所述将加工好的条状等离子体涡流发生器与沟槽壁面依次沿流向交替排列，具体包括：
在条状等离子体涡流发生器的绝缘介质层的前后缘分别制作一个深度等于沟槽壁面中沟槽底部厚度的阶梯状凹槽；
将加工好的沟槽壁面前缘覆盖于条状等离子体涡流发生器后缘的阶梯状凹槽上。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明公开一种针对湍流边界层内多尺度流动控制的减摩阻装置及制造方法，条状等离子体涡流发生器与沟槽壁面依次沿流向交替排列，条状等离子体涡流发生器形成沿展向排布的流向涡阵列，流向涡阵列来限制湍流边界层内尺寸大于湍流边界层名义厚度的大尺度流动结构的展向不规则运动，进一步降低中高雷诺数下大尺度流动结构所引起的摩阻成分；沟槽壁面降低湍流边界层内近壁流动结构引起的壁面摩阻，对近壁区尺寸小于边界层厚度的小尺度流动结构加以控制；在等离子体涡流发生器所产生的流向涡阵列与沟槽壁面的共同作用范围内形成针对湍流边界层内多尺度流动结构控制的区域。本发明通过对湍流边界层内外区大尺度流动结构及近壁区小尺度流动结构的不规则运动共同施加控制，从而降低其所对应的摩阻成分，降低总阻力，提高减阻效果。
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为本发明提供的多尺度流动控制的减摩阻装置的结构图；
图2为本发明提供的多尺度流动控制的减摩阻装置的原理图；
图3为本发明提供的条状等离子体涡流发生器的轴侧结构图；
图4为本发明提供的条状等离子体涡流发生器的剖视图；
图5为本发明提供的沟槽壁面的结构图；
图6为本发明提供的减摩阻装置的制作方法的流程图；
图7为本发明提供的沟槽壁柔性薄膜翻模示意图；
图8为本发明提供的条状等离子体涡流发生器的制备结构示意图；
图9为本发明提供的条状等离子体涡流发生器与沟槽壁面的组装示意图；
图10为本发明实施例提供的双模态沟槽布置示意图；
图11为本发明实施例提供的双模态沟槽低速风洞实验结果图。
符号说明：1-条状等离子体涡流发生器，2-沟槽壁面，3-流向涡，4-交流电源，5-电压测量装置，6-沟槽柔性薄膜，7-成品光栅膜，8-翻模模具，9-摩阻测量传感器，10-风洞，11-上电极，12-下电极，13-绝缘介质层。
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多尺度流动控制的减摩阻装置及制造方法，对湍流边界层内大尺度流动结构、小尺度流动结构两种模态共同施加控制，提高减阻效果。
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。
本发明提供了一种多尺度流动控制的减摩阻装置，如图1所示，减摩阻装置包括：条状等离子体涡流发生器1和沟槽壁面2。条状等离子体涡流发生器1和沟槽壁面2的数量相同且均至少为一个；条状等离子体涡流发生器1与沟槽壁面2依次沿流向交替排列。条状等离子体涡流发生器1用于形成沿展向排布的流向涡阵列，降低湍流边界层内外区流动结构引起的壁面摩阻。沟槽壁面2用于降低湍流边界层内近壁流动结构引起的壁面摩阻。
图1中，x方向表示流向，y方向表示法向，z方向表示展向。条状等离子体涡流发生器1，即介质阻挡放电等离子体涡流发生器(Dielectric-barrier-discharge plasmavortex generators，DBD-VG)通过产生展向排布的流向涡阵列来限制近壁处条带结构的展向不规则运动，进而减少因准流向涡3的出现与猝发现象的产生所导致的壁面摩阻。在湍流边界层中，沟槽壁面2的槽底被低速流动结构或二次涡流所填充，将流向涡3等高速流动结构抬升于沟槽壁面2之上的流层，通过减少固壁面与高速流动的直接接触并限制其上方流层流动结构的不规则运动从而实现减阻。参照图2，DBD-VG与沟槽壁面2依次沿流向交替排列布置的原因为：DBD-VG所形成流向涡阵列在电极下游区域内依旧对大尺度流动结构具有一定的控制作用。而在DBD-VG下游内同时布置沟槽对近壁区小尺度流动结构加以控制，可在此区域内形成共同控制大、小尺度流动结构的“双模态”沟槽。待流向涡阵列沿程耗散殆尽无法有效控制该区域大尺度结构时，再次沿流向布置“DBD-VG—沟槽”阵列，通过交替接力的方式在每个铺设沟槽的区域内形成可控制湍流边界层内大、小尺度流动结构的部分。
优选的，在法向上，条状等离子体涡流发生器1与沟槽壁面2布置于同一固壁面高度上；在流向上，条状等离子体涡流发生器1布置于气流的上游，沟槽壁面2布置于气流的下游，沟槽壁面2前缘紧贴条状等离子体涡流发生器1后缘；在展向上，条状等离子体涡流发生器1与沟槽壁面2的展向宽度一致。
示例性的，如图3和4所示，条状等离子体涡流发生器1包括：绝缘介质层13、多条上电极11和多条下电极12。多条下电极12均设置于绝缘介质层13内部，多条下电极12沿展向依次均匀排布；多条上电极11位于绝缘介质层13上。多条上电极11和多条下电极12的长边均平行于流向，多条上电极11和多条下电极12沿展向依次交替排布，相邻上电极11的间距与下电极12的宽度相等，下电极12位于相邻上电极11之间区域的正下方。多条上电极11和多条下电极12用于形成电场，并在形成的电场与来流的共同作用下使相邻上电极11之间的近壁面气体形成反向排列的流向涡3，构成沿展向排布的流向涡阵列。
条状等离子体涡流发生器1还包括：上公共电极、下公共电极、交流电源4和电压测量装置5。绝缘介质层13的前缘设置沿展向延伸的上公共电极，绝缘介质层13的后缘设置沿展向延伸的下公共电极。多条上电极11均与上公共电极连接，多条下电极12均与下公共电极连接；上公共电极和下公共电极分别连接交流电源4的两端；电压测量装置5的两端分别与上公共电极和下公共电极连接。
绝缘介质层13分为两层：上层绝缘介质层和下层绝缘介质层。上层绝缘介质层设置在下层绝缘介质层的上表面，多条上电极11设置在上层绝缘介质层上。下电极12夹在上、下层绝缘介质层之间。
DBD-VG的条状上电极11、下电极12的长边均平行于来流方向(x方向)。下电极12被上下两层绝缘介质层13所包裹，而位于绝缘介质层13顶部的上电极11则暴露在来流空气中。上电极11沿展向(z方向)分别布置于下电极12的两侧，其长边在展向上相互重叠，法向(y方向)则相隔绝缘介质层13厚度的距离(如图4)，依此规律多条上、下电极12沿着展向交替布置。多条上电极11在绝缘介质层13的前缘处由一个沿展向延伸的公共电极所连接，多条下电极12也由一个沿展向延伸的公共电极在绝缘介质层13的后缘处所连接。上电极11、下电极12的公共电极部分分别连接于交流电源4的两端，并接示波器或电压表来获得电极两段的电压信息(如图3)。
DBD-VG的上下电极由绝缘介质层13所分隔而并不导通。在将上下电极分别连接高压交流电源4正负极后，上下电极间所产生足够强度的交变电场使其产生介质阻挡放电现象。在暴露于空气中沿展向排列的上电极11同其两侧被介质层覆盖的下电极12所形成的电场的作用下，近壁面气体形成反向排列的展向对吹射流(如图4)结构，并在来流的作用下进一步形成流向涡3。
示例性的，沟槽壁面2为由多个沿流向延伸并沿展向依次排列的沟槽形成的壁面结构。使用传统单尺度沟槽来实现对湍流边界层内近壁小尺度流动结构的控制。单尺度沟槽由在物体壁面上沿流向延伸、沿展向交替排列的二维突起状肋条或槽道所组成，表面形貌如图5所示。
本发明的技术思路包括：在使用单尺度沟槽对湍流边界层内小尺度流动结构控制减摩阻的基础上，同时使用条状等离子体涡流发生器1所产生的流向涡阵列来限制大尺度流动结构的展向不规则运动，进一步降低中高雷诺数下大尺度流动结构所引起的摩阻成分，从而得到较仅控制单一尺度流动结构时更高的减摩阻率。本发明的装置实现为：等离子体涡流发生器与沟槽壁沿流向交替排布，在等离子体涡流发生器所产生的流向涡阵列与沟槽壁面2的共同作用范围内形成针对湍流边界层内多尺度流动结构控制的区域。本发明的装置在设计加工及实施例中皆为柔性薄膜，具有易于敷装、形阻较低、附加质量低、对原固壁面外形及结构影响较小的优势，在呈现良好减摩阻效果的同时极大地提高了本发明的工程实用性。
相比于传统沟槽仅控制湍流边界层近壁小尺度流动结构的减摩阻效果，本发明的优势在于：
(1)针对大尺度结构的控制改变了近壁局部流动，DBD-VG所产生流向涡阵列对近壁展向流动的控制一定程度上降低了来流偏角对沟槽减阻率的影响，从而提高了本发明在非设计工况下的减阻能力。
(2)中高雷诺数下大尺度结构所引起的摩阻成分增加，此时针对大、小尺度结构共同控制的减摩阻收益明显，提供了在特征尺寸大、雷诺数跨度大的航空飞行器中减阻应用的可能。
(3)针对大尺度流动控制减阻的同时也抑制了湍流边界层近壁区同外区的动量与物质交换，从而降低了来流中粉尘颗粒进入近壁流动阻塞沟槽的可能，通过降低对使用环境的要求来提高该减摩阻技术的实用性。
(4)本发明继承了DBD-VG及沟槽壁易于敷装、质量较轻、形阻较低、不破坏固壁面表面形貌与内部结构的优势。本发明柔膜形的具体实施方式也进一步降低了该减摩阻技术的使用门槛，便于在现有型号的基础上直接贴覆使用。
本发明还提供了一种前述的减摩阻装置的制造方法，如图6所示，制造方法包括：
步骤S1，分别确定条状等离子体涡流发生器1和沟槽壁面2的几何参数。
示例性的，条状等离子体涡流发生器1的几何参数确定方法为：
上、下电极沿着展向交替布置。单条上电极展向两侧出现一对反向旋转流向涡3，展向相邻上电极间出现一对反向旋转流向涡。因此上电极间距λ与流向涡直径
(如图3)的关系如公式(1)所示：
考虑到流向条带结构的展向间距为100l*(l*＝v/uτ，v为运动粘性系数，uτ为壁面摩擦速度，l*表示运动粘性系数与壁面摩擦速度的比值)，而大尺度流动结构往往被控制于相邻流向涡之间的下方流层，因此选择：
进一步的，可选择条状上电极展向间距如公式(3)所示：
λ＝200l*＝200ν/uτ (3)
因此，根据来流湍流边界层的条件计算uτ与ν，即可确定用于控制大尺度流动结构的DBD-VG上电极间距λ。对于下电极间距则没有特别要求，一般为使上下电极长边在展向方向上重叠，可选择条状下电极宽度等于上电极间距λ，下电极间距等于上电极宽度w(如图3)。
对于上下电极的流向长度l及电源峰峰值Epp则无具体要求可视情况而定。通常较大的l及Epp可以产生环量更高的流向涡3，其控制流动的能力及减阻效果也更好。
示例性的，沟槽壁面2的几何参数确定方法为：
以单尺度倒U形沟槽为例，通常选择沟槽最优减阻特征尺寸sopt、hopt如公式(4)所示：
sopt＝hopt＝15l*＝15v/uτ (4)
其中，s与h分别表示沟槽肋条的中心距及肋条高度(如图5)。因此可根据来流湍流边界层的条件计算uτ与v，进而计算最优减阻条件下的沟槽尺寸。此时单尺度二维沟槽的减摩阻率可达到最大。
步骤S2，根据条状等离子体涡流发生器1的几何参数，制造条状等离子体涡流发生器1。
示例性的，使用聚酰亚胺薄膜作为绝缘介质层13。包裹下电极12的绝缘层层厚根据电极峰值电压(Epp)选择来防止在较高交变电压下击穿绝缘层上下电极形成通路。使用双导铜胶带作为下电极12及下公共电极，使用模具切割后的梳齿状铜箔作为上电极11及上公共电极，上、下电极的公共部分最好分别内埋于介质层的前缘与后缘，防止在公共电极连接处产生尖端放电击穿绝缘层，同时也防止在上公共电极处产生不必要的流向射流。具体制造步骤为：1、采用聚酰亚胺薄膜作为绝缘介质层13，双导铜胶带作为下电极12及下公共电极，梳齿状铜箔作为上电极11及上公共电极；作为下电极12的双导铜胶带的宽度等于相邻上电极11的间距；2、将下电极12沿展向依次均匀内置于绝缘介质层13中，并将上电极11按照相邻上电极间距设置于绝缘介质层13上，使得上电极11和下电极12的长边均平行于流向，上电极11和下电极12沿展向依次交替排布，相邻上电极的间距与下电极12的宽度相等，且下电极12位于相邻上电极之间区域的正下方；3、将上公共电极和下公共电极分别内埋于绝缘介质层13的前缘与后缘。
步骤S3，根据沟槽壁面2的几何参数，使用聚二甲基硅氧烷聚合物翻模工艺制造沟槽壁面2。
使用聚二甲基硅氧烷(PDMS，polydimethylsiloxane)聚合物翻模工艺得到沟槽壁柔性薄膜。其中包括沟槽壁模具的加工以及沟槽壁柔性薄膜的制备。
(1)沟槽壁翻模模具的加工方法为：当沟槽壁面2的沟槽宽度大于或等于宽度阈值(阈值约为0.5mm，为大面积机械加工的极限尺寸)时，使用CNC加工金属沟槽壁翻模模具，或使用3D打印的方式制作非金属沟槽壁翻模模具；当沟槽壁面2的沟槽宽度小于宽度阈值时，使用表面为半圆弧形的PVC成品光栅膜7作为翻模模板，并将PVC成品光栅膜7固定在翻模模具8底部，一起构成沟槽壁翻模模具；沟槽壁翻模模具的尺寸符合沟槽壁面2的几何参数。光栅膜表面为半圆弧形，对其翻模后所得沟槽表面形状即为本发明所使用的倒U形沟槽(如图5)。
(2)参照图7，沟槽壁柔性薄膜的制备过程包括：
①令聚二甲基硅氧烷胶体与正硅酸乙酯固化剂按重量10∶1混匀，形成胶体聚合物；
②使胶体聚合物在真空干燥箱中于0.1MPa下持续抽真空40分钟，以排出胶体聚合物中肉眼可见的气泡；
③将排除气泡后的胶体聚合物倒入沟槽壁翻模模具并充满整个沟槽壁翻模模具；
④对沟槽壁翻模模具中的胶体聚合物再次抽真空至表面无气泡析出，使胶体聚合物充满沟槽壁翻模模具的沟槽结构；
⑤在真空干燥箱内对盛有胶体聚合物的沟槽壁翻模模具进行一次调平；
⑥在真空干燥箱内于40℃环境下对沟槽壁翻模模具内的胶体聚合物持续加热至胶体聚合物表面呈现半固化的状态并不再流动后取出；持续加热时间大约为2小时；
⑦使用热缩膜包裹的玻璃盖板对沟槽壁翻模模具内各处胶体聚合物的高度进行限位，以控制胶体聚合物各处的厚度一致。其中，为解决胶体聚合物在和玻璃接触后脱模困难的问题，使用热缩膜包裹玻璃盖板来实现。热缩膜所带来盖板表面的褶皱可通过加热来消除，限位时通过对盖板施力微调来驱赶柔性膜中的气泡。
⑧将覆盖玻璃盖板的沟槽壁翻模模具放入真空干燥箱再次调平，并在40℃环境下再次加热至胶体聚合物表面完全固化；二次加热时间为4小时左右；
⑨分离玻璃盖板与沟槽壁翻模模具，并切割沟槽壁翻模模具内的胶体聚合物至所需尺寸，形成沟槽壁柔性薄膜。
步骤S4，将加工好的条状等离子体涡流发生器1与沟槽壁面2依次沿流向交替排列，构成减摩阻装置。
对于控制大尺度流动结构的DBD-VG，上电极11暴露于空气中，下电极12内埋在绝缘介质层13内。为避免上电极11中无法产生展向射流的区域及介电层区域过多暴露在来流中增加形阻影响装置减阻效果，本发明按照如下形式组合DBD-VG及单尺度沟槽柔性薄膜6(如图8):在DBD-VG的介质层前后缘位置处留出一宽度约1cm、深度约等于沟槽膜槽底部厚度的阶梯状凹槽，并将加工好的沟槽柔性薄膜6覆盖于阶梯上(如图9)。以此方式布置时，DBD-VG上表面同沟槽柔性膜槽道底部相平，同时沟槽柔性膜也覆盖了DBD-VG上表面延伸至介质层阶梯状凹槽位置处的无法产生展向射流的上电极部分区域，最大限度地降低了装置中非减阻区域的面积以降低装置自身所带来的阻力。基于此，下游沟槽柔性薄膜6的前缘连接于上游DBD-VG后缘处的阶梯状凹槽，该沟槽柔性薄膜6后缘同位于其下游的下个DBD-VG前缘处的阶梯状凹槽相连接，通过DBD-VG与沟槽接力式的组合形成共同控制湍流边界层内大、小尺度流动结构的“双模态”沟槽。
沟槽的流向布置区域依上游DBD-VG所产生的流向涡阵列对大尺度结构的有效作用范围而定。沟槽所覆盖区域为共同控制湍流边界层多尺度流动结构减摩阻的区域，通过提高电极电压峰峰值Epp、增加条状电极流向长度l等措施可提高流向涡强度及其对大尺度流动控制的作用范围，从而提高单组DBD-VG—沟槽流向阵列中减摩阻区域的面积占比，并进一步提高装置的减摩阻效果。
DBD-VG下游流向涡的控制范围有限，待流向涡阵列沿程耗散殆尽无法有效控制该区域大尺度结构时，再次沿流向布置“DBD-VG—沟槽”阵列。通过周期性交替布置DBD-VG—沟槽的方式，可在整个待减阻区域内尽可能多地布置对湍流边界层内大、小尺度流动结构共同施加控制的区域，以进一步提高本发明的减摩阻效果。
下面结合具体应用场景对本发明方法进行描述。本实施例中以完全发展的平板湍流边界层为控制对象，Reτ≈2700～8200(Reτ为摩擦雷诺数，Reτ＝uτδ/ν，其中δ为湍流边界层名义厚度，ν为运动粘性系数，uτ为壁面摩擦速度)，δ≈10cm。DBD-VG上电极展向间距λ＝2.5cm，流向长度l≈δ，电极电压峰峰值EPP＝5k～20kV；使用的单尺度沟槽截面为半圆弧形，其肋条展向中心距s≈15l*～30l*，肋条高度h≈7l*～15l*。装置实物使用两组“涡流发生器-沟槽”阵列沿流向接力排布在风洞10中，如图10所示，并靠近装置后缘展向中心处布置摩阻测量传感器9(双层热膜传感器)来测定该处的阻力。定义减阻率(DR)如公式(5)所示：
在Reτ≈8200的实验中，本发明减摩阻率最大可达6％(如图11)。图11中Z1表示DBD-VG电极电压峰峰值Epp＝15KV的减摩阻率，Z2表示Epp＝20KV的减摩阻率。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文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 (9)
1.一种多尺度流动控制的减摩阻装置，其特征在于，所述减摩阻装置包括：条状等离子体涡流发生器和沟槽壁面；
条状等离子体涡流发生器和沟槽壁面的数量相同且均至少为一个；条状等离子体涡流发生器与沟槽壁面依次沿流向交替排列，具体包括：在条状等离子体涡流发生器的绝缘介质层的前后缘分别制作一个深度等于沟槽壁面中沟槽底部厚度的阶梯状凹槽；将加工好的沟槽壁面前缘覆盖于条状等离子体涡流发生器后缘的阶梯状凹槽上；
所述条状等离子体涡流发生器用于形成沿展向排布的流向涡阵列，降低湍流边界层内大尺度结构不规则流动行为引起的壁面摩阻；
所述沟槽壁面用于降低湍流边界层内近壁小尺度流动结构引起的壁面摩阻。
2.根据权利要求1所述的多尺度流动控制的减摩阻装置，其特征在于，
在法向上，条状等离子体涡流发生器与沟槽壁面布置于同一固壁面高度上；在流向上，条状等离子体涡流发生器布置于气流的上游，沟槽壁面布置于气流的下游，沟槽壁面前缘紧贴条状等离子体涡流发生器后缘；在展向上，条状等离子体涡流发生器与沟槽壁面的展向宽度一致。
3.根据权利要求1所述的多尺度流动控制的减摩阻装置，其特征在于，所述条状等离子体涡流发生器包括：绝缘介质层、多条上电极和多条下电极；
多条下电极均设置于绝缘介质层内部，多条下电极沿展向依次均匀排布；多条上电极位于绝缘介质层上；
多条上电极和多条下电极的长边均平行于流向，多条上电极和多条下电极沿展向依次交替排布，相邻上电极的间距与下电极的宽度相等，下电极位于相邻上电极之间区域的正下方；
多条上电极和多条下电极用于形成电场，在形成的电场作用下使相邻上电极之间的近壁面气体形成展向对吹射流，并在来流的作用下形成一对反向排列的流向涡，多条上电极共同作用构成沿展向排布的流向涡阵列。
4.根据权利要求3所述的多尺度流动控制的减摩阻装置，其特征在于，所述条状等离子体涡流发生器还包括：上公共电极、下公共电极、交流电源和电压测量装置；
绝缘介质层的前缘设置沿展向延伸的上公共电极，绝缘介质层的后缘设置沿展向延伸的下公共电极；
多条上电极均与上公共电极连接，多条下电极均与下公共电极连接；上公共电极和下公共电极分别连接交流电源的两端；电压测量装置的两端分别与上公共电极和下公共电极连接。
5.根据权利要求4所述的多尺度流动控制的减摩阻装置，其特征在于，所述沟槽壁面为由多个沿流向延伸并沿展向依次排列的沟槽形成的壁面结构。
6.一种如权利要求1-5任一项所述的减摩阻装置的制造方法，其特征在于，所述制造方法包括：
分别确定条状等离子体涡流发生器和沟槽壁面的几何参数；
根据条状等离子体涡流发生器的几何参数，制造条状等离子体涡流发生器；
根据沟槽壁面的几何参数，使用聚二甲基硅氧烷聚合物翻模工艺制造沟槽壁面；
将加工好的条状等离子体涡流发生器与沟槽壁面依次沿流向交替排列，构成减摩阻装置，具体包括：在条状等离子体涡流发生器的绝缘介质层的前后缘分别制作一个深度等于沟槽壁面中沟槽底部厚度的阶梯状凹槽；将加工好的沟槽壁面前缘覆盖于条状等离子体涡流发生器后缘的阶梯状凹槽上。
7.根据权利要求6所述的制造方法，其特征在于，所述分别确定条状等离子体涡流发生器和沟槽壁面的几何参数，具体包括：
利用公式λ＝200v/uτ，确定条状等离子体涡流发生器中相邻上电极的间距；式中，λ为相邻上电极的间距，v为运动粘性系数，uτ为壁面摩擦速度；
利用公式s＝h＝15v/uτ，确定沟槽壁面的沟槽宽度和沟槽深度；式中，s为沟槽宽度，h为沟槽深度。
8.根据权利要求7所述的制造方法，其特征在于，所述根据条状等离子体涡流发生器的几何参数，制造条状等离子体涡流发生器，具体包括：
采用聚酰亚胺薄膜作为绝缘介质层，双导铜胶带作为下电极及下公共电极，梳齿状铜箔作为上电极及上公共电极；作为下电极的双导铜胶带的宽度等于相邻上电极的间距；
将下电极沿展向依次均匀内置于绝缘介质层中，并将上电极按照相邻上电极的间距设置于绝缘介质层上，使得上电极和下电极的长边均平行于流向，上电极和下电极沿展向依次交替排布，相邻上电极的间距与下电极的宽度相等，且下电极位于相邻上电极之间区域的正下方；
将上公共电极和下公共电极分别内埋于绝缘介质层的前缘与后缘。
9.根据权利要求6所述的制造方法，其特征在于，所述根据沟槽壁面的几何参数，使用聚二甲基硅氧烷聚合物翻模工艺制造沟槽壁面，具体包括：
沟槽壁翻模模具的加工方法为：当沟槽壁面的沟槽宽度大于或等于宽度阈值时，使用CNC加工金属沟槽壁翻模模具，或使用3D打印的方式制作非金属沟槽壁翻模模具；当沟槽壁面的沟槽宽度小于宽度阈值时，使用表面为半圆弧形的PVC成品光栅膜作为翻模模板，并将PVC成品光栅膜固定在翻模模具底部，一起构成沟槽壁翻模模具；所述沟槽壁翻模模具的尺寸符合沟槽壁面的几何参数；
沟槽壁柔性薄膜的制备过程包括：
令聚二甲基硅氧烷胶体与正硅酸乙酯固化剂按重量10∶1混匀，形成胶体聚合物；
使胶体聚合物在真空干燥箱中于0.1MPa下持续抽真空40分钟，以排出胶体聚合物中肉眼可见的气泡；
将排除气泡后的胶体聚合物倒入沟槽壁翻模模具并充满整个沟槽壁翻模模具；
对沟槽壁翻模模具中的胶体聚合物再次抽真空至表面无气泡析出，使胶体聚合物充满沟槽壁翻模模具的沟槽结构；
在真空干燥箱内对盛有胶体聚合物的沟槽壁翻模模具进行一次调平；
在真空干燥箱内于40℃环境下对沟槽壁翻模模具内的胶体聚合物持续加热至胶体聚合物表面呈现半固化的状态并不再流动后取出；
使用热缩膜包裹的玻璃盖板对沟槽壁翻模模具内各处胶体聚合物的高度进行限位，以控制胶体聚合物各处的厚度一致；
将覆盖玻璃盖板的沟槽壁翻模模具放入真空干燥箱再次调平，并在40℃环境下再次加热至胶体聚合物表面完全固化；
分离玻璃盖板与沟槽壁翻模模具，并切割沟槽壁翻模模具内的胶体聚合物至所需尺寸，形成沟槽壁柔性薄膜。
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2023
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