CN115258033B - 一种微沟槽仿生减阻结构及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种微沟槽仿生减阻结构及其制备方法，相邻减阻棱的交界处能有效限制流体流动的湍流，抑制流体分别与第一沟槽斜面、第二沟槽斜面之间的能量交换过程，减阻棱能达到良好的减阻性能。这种带有球冠结构的微结构是由典型的V形凹槽改进而来的，类似于鲨鱼皮肤表面的三角形凹槽结构。因为此减阻结构应用在微气泡与微沟槽复合减阻中，优化后的结构可以提高气泡在第一沟槽斜面、第二沟槽斜面的含量，并增加第一沟槽斜面、第二沟槽斜面的速度稳定区域，水流速度在此区域较为稳定。在传统的第一沟槽斜面、第二沟槽斜面增加球冠结构有利于阻力的降低，有利于速度的稳定，在球冠结构的两侧剪切力进一步降低，其区域范围较原始结构有明显的增大。

Description

一种微沟槽仿生减阻结构及其制备方法

技术领域

本发明涉及减阻技术领域，特别是涉及一种微沟槽仿生减阻结构及其制备方法。

背景技术

随着全世界能源问题愈来愈突出，发展绿色低碳经济已经变得越来越重要。降低船舶运行中的阻力也是目前在航运中的一个热点与需迫切解决的问题。在目前的减阻方法中，微气泡减阻因为环保，操作性强而被广泛的应用，同时微沟槽减阻因其不需要额外增加能耗，且与仿生技术紧密结合，被众多国家科研工作者所研究。

目前仿生结构减阻方面取得较为优异的成果，尤其以仿鲨鱼皮表皮微结构为主，通过对鲨鱼皮以及淡水鱼类表面进行观察，发现其表面具有规律且微小的沟槽结构，仿生减阻采用的手段主要是将鲨鱼皮表面的微沟槽进行简化处理并进行相应的研究，但单一的复制微沟槽结构所达到的减阻效果较差，并未取得较好的效果。

微沟槽应用在复合减阻方面一般在光滑沟槽结构上进行，减阻方面遇到一定的瓶颈需要克服。根据之前的研究可知，复合减阻较之前的单一减阻取得较好的效果，但仍存在一定的问题，例如气泡仍存在逸散问题，对沟槽表面进行优化依旧可取得一定程度的提升。所以，有必要设计一种微沟槽仿生减阻结构及其制备方法以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种微沟槽仿生减阻结构及其制备方法，以解决上述现有技术存在的问题，能够实现提供一种微沟槽仿生减阻结构，同时采用等离子热喷涂技术构建减阻棱提供一种微沟槽仿生减阻结构制备方法，可以应用在水中航行体单一沟槽减阻中，也可以应用在微沟槽与微气泡复合减阻中，可以进一步提高航行体减阻效率，提高能源节约率，降低二氧化碳排放量。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种微沟槽仿生减阻结构，包括基底层、若干减阻棱和若干球冠结构，所述基底层顶面分别与所述减阻棱底面固定连接，相邻所述减阻棱底面相互衔接，且所有所述减阻棱相互平行设置，所述减阻棱设置有第一沟槽斜面和第二沟槽斜面；若干所述球冠结构开设于所述第一沟槽斜面和所述第二沟槽斜面上。

优选的，所述减阻棱的宽度为0.5mm-1mm，所述减阻棱的深度为0.5mm-0.75mm，取值时，所述减阻棱宽度大于等于其深度；相邻两个所述减阻棱中的一个所述减阻棱的所述第一沟槽斜面与另一个所述减阻棱的所述第二沟槽斜面相交。

优选的，所述球冠结构等间距设置于所述第一沟槽斜面和所述第二沟槽斜面上，所述球冠结构为球形的凹槽，所述球冠结构的直径为0.1mm-0.4mm，所述减阻棱内开设的所述球冠结构与和其相邻的所述减阻棱内的所述球冠结构不连通。

优选的，开设在所述第一沟槽斜面和所述第二沟槽斜面上的若干所述球冠结构，等间距分为若干行和最少一列，所述第一沟槽斜面或所述第二沟槽斜面上相邻所述球冠结构间距为1mm。

优选的，所述减阻棱为三棱柱形结构。

优选的，所述基底层、若干减阻棱和若干球冠结构为分体加工再组装为一体或一体加工成型。

优选的，所述减阻棱的一端或中部设置有通气口。

一种微沟槽仿生减阻结构的制备方法，包括如下步骤：

S1、通过计算确定所述减阻棱、所述球冠结构和所述基底层的尺寸；

S2、依据S1中计算确定的所述减阻棱、所述球冠结构和所述基底层的尺寸，对喷涂设备进行喷涂工艺的编程；

S3、所述喷涂设备按照程序控制喷涂涂层并将所述涂层熔到需要增加减阻结构的材料的表面，并直至成型完毕。

优选的，在步骤S2中，所述喷涂设备为超音速等离子热喷涂设备。

优选的，在步骤S3中，所述涂层为碳化钨材料。

本发明具有如下技术效果：

本发明公开了一种微沟槽仿生减阻结构及其制备方法，在减阻棱表面增加球冠结构可以有效抑制湍流问题的发展，从而降低摩擦阻力。增加球冠结构后，球冠结构能够影响其所在区域及其周边两侧区域内的剪切力，使其两侧的剪切力有一定程度上的降低，从而提高该区域内流动的稳定性，减弱摩擦阻力的影响，有利于减少速度的损耗。同时在球冠结构处形成的涡，有效的用滚动摩擦代替水流与壁面间存在的滑动摩擦，也从另一个方面降低了摩擦阻力。减阻棱的加工工艺选用超音速等离子热喷涂技术，其形成的涂层本身非常致密且性质较为稳定,能够有效地覆盖工件表面,从而隔绝腐蚀介质接触工件。增加球冠结构能够进一步降低阻力，提高能源利用效率，具有较好的经济性。

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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明减阻棱表面新增内凹的球冠结构的微沟槽仿生减阻结构的示意图；

图2是本发明微沟槽仿生减阻结构的横截面结构示意图；

图3是本发明微沟槽仿生减阻结构的单球冠结构侧视结构示意图；

图4是本发明微沟槽仿生减阻结构的双球冠结构侧视结构示意图；

图5是减阻棱的尺寸表示示意图；

其中，1、基底层；2、减阻棱；3、球冠结构；4、第一沟槽斜面；5、第二沟槽斜面。

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。

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。

由图1-5所示的一种微沟槽仿生减阻结构，包括基底层1、若干减阻棱2和若干球冠结构3，基底层1顶面分别与减阻棱2底面固定连接，相邻减阻棱2底面相互衔接，且所有减阻棱2相互平行设置，减阻棱2设置有第一沟槽斜面4和第二沟槽斜面5；若干球冠结构3开设于第一沟槽斜面4和第二沟槽斜面5上。

进一步优化方案，减阻棱2的宽度为0.5mm-1mm，减阻棱2的深度为0.5mm-0.75mm，取值时，减阻棱2宽度大于等于其深度；相邻两个减阻棱2中的一个减阻棱2的第一沟槽斜面4与另一个减阻棱2的第二沟槽斜面5相交。

进一步优化方案，球冠结构3等间距设置于第一沟槽斜面4和第二沟槽斜面5上，球冠结构3为球形的凹槽，球冠结构3的直径为0.1mm-0.4mm，减阻棱2内开设的球冠结构3与和其相邻的减阻棱2内的球冠结构3不连通。

进一步优化方案，开设在第一沟槽斜面4和第二沟槽斜面5上的若干球冠结构3，等间距分为若干行以及设置有至少一列，如果设置为一列，则为单球冠结构，如果设置为两列则为双球冠结构，第一沟槽斜面4或第二沟槽斜面5上相邻球冠结构3间距为1mm。

进一步优化方案，减阻棱2为三棱柱形结构。

进一步的，相邻减阻棱2的交界处能有效限制流体流动的湍流，抑制流体分别与第一沟槽斜面4、第二沟槽斜面5之间的能量交换过程。

进一步优化方案，基底层1、若干减阻棱2和若干球冠结构3为分体加工再组装为一体或一体加工成型。

进一步优化方案，减阻棱2的一端或中部设置有通气口。

进一步的，水流方向与减阻棱2方向一致，此时可以将气泡入口即通气口设置在结构前侧，气泡入口可以采用多孔介质材料，结构与减阻结构一致，均为沟槽结构，通过船底入口通入气泡，微气泡沿着水流方向从结构前侧往后侧发展，最终覆盖船底表面，达到减阻目的。也可以在结构的前端和结构中部各设置一个通气口，提高气泡通入速度和覆盖速度，使气泡可以迅速覆盖整个结构底部，进一步提高减阻效率。

一种微沟槽仿生减阻结构的制备方法，包括如下步骤：

S1、通过计算确定减阻棱2、球冠结构3和基底层1的尺寸；

根据相应船舶或其他应用对象的几何形状与尺寸，结合试验水域现场水文条件，确定相应的微沟槽仿生减阻结构的尺寸。

S2、依据S1中计算确定的减阻棱2、球冠结构3和基底层1的尺寸，对喷涂设备进行喷涂工艺的编程；

S3、喷涂设备按照程序控制喷涂涂层并将涂层熔到需要增加减阻结构的材料的表面，并直至成型完毕。

进一步的，基于热喷涂技术的表面结构可控性，采用对应的超音速等离子热喷涂工艺进行喷涂加工。超音速等离子热喷涂船体防腐工艺，利用其表面微结构可设计可控制(单层最小厚度可达15um)的特点，可以综合考虑到不同条件下的船体海水环境和不同尺度船体流阻特性从而达到较好的减阻效果。

进一步优化方案，在步骤S2中，喷涂设备为超音速等离子热喷涂设备。

进一步的，超音速等离子热喷涂设备是利用的热喷涂技术，其是表面工程技术的重要组成部分,它利用电弧、等离子弧或燃烧火焰等将粉末状或丝状的金属或非金属材料加热熔化或软化形成熔滴，并以一定速度射向预处理过的基体表面，形成具有一定结合强度涂层的工艺方法。热喷涂技术可用来喷涂几乎所有的固体工程材料，如硬质合金、陶瓷、金属、石墨和尼龙等，形成耐磨、耐蚀、隔热、抗氧化、绝缘、导电、防辐射等具有各种特殊功能的涂层。热喷涂技术还具有工艺灵活、施工方便、适应性强及经济效益好等优点，被广泛应用于航天、机械、化工、冶金、地质、交通、建筑等工业部门,并获得迅猛的发展。

进一步优化方案，在步骤S3中，涂层为碳化钨材料，喷涂后的碳化钨涂层高度致密，结合强度高，气孔率小于1％，结合强度高。同时涂层材料氧化程度低，失碳少，硬度高，可以达到预计的目标要求。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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，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。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (5)

1.一种微沟槽仿生减阻结构，其特征在于，包括基底层(1)、若干减阻棱(2)和若干球冠结构(3)，所述基底层(1)顶面分别与所述减阻棱(2)底面固定连接，相邻所述减阻棱(2)底面相互衔接，且所有所述减阻棱(2)相互平行设置，所述减阻棱(2)设置有第一沟槽斜面(4)和第二沟槽斜面(5)；若干所述球冠结构(3)开设于所述第一沟槽斜面(4)和所述第二沟槽斜面(5)上；

所述减阻棱(2)的宽度为0.5mm-1mm，所述减阻棱(2)的深度为0.5mm-0.75mm，取值时，所述减阻棱(2)宽度大于等于其深度；相邻两个所述减阻棱(2)中的一个所述减阻棱(2)的所述第一沟槽斜面(4)与另一个所述减阻棱(2)的所述第二沟槽斜面(5)相交；

所述球冠结构(3)等间距设置于所述第一沟槽斜面(4)和所述第二沟槽斜面(5)上，所述球冠结构(3)为球形的凹槽，所述球冠结构(3)的直径为0.1mm-0.4mm，所述减阻棱(2)内开设的所述球冠结构(3)与和其相邻的所述减阻棱(2)内的所述球冠结构(3)不连通；

开设在所述第一沟槽斜面(4)和所述第二沟槽斜面(5)上的若干所述球冠结构(3)，等间距分为若干行和最少一列，所述第一沟槽斜面(4)或所述第二沟槽斜面(5)上相邻所述球冠结构(3)间距为1mm；

一种微沟槽仿生减阻结构的制备方法，包括如下步骤：

S1、通过计算确定所述减阻棱(2)、所述球冠结构(3)和所述基底层(1)的尺寸；

S2、依据S1中计算确定的所述减阻棱(2)、所述球冠结构(3)和所述基底层(1)的尺寸，对喷涂设备进行喷涂工艺的编程；

S3、所述喷涂设备按照程序控制喷涂涂层并将所述涂层熔到需要增加减阻结构的材料的表面，并直至成型完毕；

在步骤S3中，所述涂层为碳化钨材料。

2.根据权利要求1所述的一种微沟槽仿生减阻结构，其特征在于：所述减阻棱(2)为三棱柱形结构。

3.根据权利要求1所述的一种微沟槽仿生减阻结构，其特征在于：所述基底层(1)、若干减阻棱(2)和若干球冠结构(3)为分体加工再组装为一体或一体加工成型。

4.根据权利要求1所述的一种微沟槽仿生减阻结构，其特征在于：所述减阻棱(2)的一端或中部设置有通气口。

5.根据权利要求1所述的一种微沟槽仿生减阻结构，其特征在于：在一种微沟槽仿生减阻结构的制备方法步骤S2中，所述喷涂设备为超音速等离子热喷涂设备。