CN115384685A - 一种自适应控制驻留式微气泡阵列流动减阻装置及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及水下航行体主动式减阻技术领域，具体涉及一种自适应控制驻留式微气泡阵列流动减阻装置，包括基体和直流电源，所述基体电连接至所述直流电源的负极，所述直流电源的正极与外界水流导通。所述基体的上表面均匀设置有若干圆柱状的电极壁面微凹坑，所述电极壁面微凹坑的壁面覆盖有金属层，所述基体上表面铺设有绝缘漆层。所述电极壁面微凹坑的直径为200μm‑300μm，深度为100μm‑150μm。本发明方案利用自适应驻留式微气泡减阻方式，有效降低水下航行体的运动阻力，制作简单，易施行；制备的驻留式微气泡能在运动过程中自发补充，具有优异的稳定性和自适应性。本发明还提供一种使用该驻留式微气泡阵列流动减阻装置的制备方法，工艺简便，粘合度高。
Description
技术领域
本发明涉及水下航行体主动式减阻技术领域，具体涉及一种自适应控制驻留式微气泡阵列流动减阻装置及其制备方法。
背景技术
物体在流体中运动的阻力与流体的密度成正比，因而航行体在水中运动过程受到的阻力约为空气中飞行器所受阻力的1000倍。舰船受到的阻力主要包括压差阻力、兴波阻力及摩擦阻力，其中摩擦阻力约占总阻力的50％～80％，因此降低摩擦阻力对提升水下航行体的航速及增加航程等方面有着重要的实际意义。
近年来，有关仿生沟槽表面及微气泡形成的气垫在流动减阻方面的试验及数值研究结果证实了其减阻性能。但如何利用微纳米结构控制气泡稳定性，以及如何利用气泡将微纳结构与水隔离进而提高气垫持久性是提升流动减阻性能所需解决的关键问题。因此，为提高水下航体航程、航速，迫切需要发明一种基于自适应驻留式微气泡阵列主动式减阻技术，该方式能够在水下运动过程中电解水产生氢气微气泡，实现水中多尺度复杂流动环境中适时有效的减阻，不会对环境产生不良作用，为高速水下航行器设计提供重要技术基础。
发明内容
本发明为了解决现有技术中减阻方式加工方式复杂，能源消耗大，制作和维护成本高，向环境排放有机物，适用于高速物体的问题，提供一种自适应控制驻留式微气泡阵列流动减阻装置，降低成本，对环境无害，且能实现微气泡的工作时的驻留稳定性、实现水中适时有效的减阻。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种自适应控制驻留式微气泡阵列流动减阻装置，包括基体和直流电源，所述基体电连接至所述直流电源的负极，所述直流电源的正极与外界水流导通，其特征在于，
所述基体的上表面均匀设置有若干圆柱状的电极壁面微凹坑，所述电极壁面微凹坑内壁面覆盖有金属层，所述基体上表面铺设有绝缘漆层，
所述电极壁面微凹坑的直径为200μm-300μm，深度为100μm-150μm。
进一步改进的，所述电极壁面微凹坑的孔直径为250μm,深度为125μm，或者，孔直径为300μm，深度为150μm。
进一步改进的，所述电极壁面微凹坑为等间距阵列排布，所述间距为200μm。
进一步改进的，所述基体的厚度为1mm。
优选的，所述基体为金属铜片材质。
本技术方案还提供一种上述自适应驻留式微气泡阵列减阻装置的制备方法，包括以下步骤，
步骤1：制备基体：在基体的上表面通过激光打孔形成电极壁面微凹坑；
步骤2：导线连接：通过电源导线连接所述基体和所述直流电源的负极，所述直流电源的正极与外界水流导通；
进一步的，所述步骤1中，所述在基体的上表面通过激光打孔形成电极壁面微凹坑包括，
选取高平整度的金属铜片作为基体，经表面抛光、清洗后，在所述金属铜片表面进行一次金属底漆喷涂并烘干，所述金属铜片上表面进行两次绝缘漆层喷涂并烘干，
采用微钻头雕刻机对涂覆有绝缘漆层一侧的金属铜片进行阵列打孔形成电极壁面微凹坑。
进一步的，所述步骤1中，所述在基体的上表面通过激光打孔形成电极壁面微凹坑包括，所述电极壁面微凹坑的直径为200μm-300μm，深度为100μm-150μm。
进一步的，所述步骤2中，所述通过电源导线连接所述基体和所述直流电源的负极包括，将所述电源导线一端通过聚氯乙烯电气绝缘胶带连接到所述基体的下表面，另一端连接至所述直流电源的负极。
进一步的，所述步骤2中，所述直流电源的正极与外界水流导通包括，所述直流电源的正极连接有一碳棒，所述碳棒与外界水流接触。
与现有技术相比，本发明技术方案取得的有益效果是：
(1)本发明在航行体上铺设电极壁面微柱孔阵列试片表面涂层为绝缘喷漆，喷涂简单，制备工艺简便，喷涂步骤手动也能保持试片表面漆层的平整，粘合度高，在室温下只需建档喷涂固化即可形成稳定绝缘涂层。
(2)本发明通过形成微纳米级表面自适应驻留式微气泡阵列，能够有效提高水下减阻效率，制作方式简单，维护成本低，不会对环境产生不良作用；同时通过其与水流的自然反应实现回路的自动导通、断开，能够在航行过程中自动补充气泡，具有优异的稳定性和自适应性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案,下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
图1为自适应驻留式微气泡阵列减阻装置的剖面示意图；
图2为自适应驻留式微气泡阵列减阻装置的工作原理示意图；
图3为自适应驻留式微气泡阵列自适应启停控制原理示意图；
图4为本发明实验简易装置结构图；
图5为本发明实施例制备得到的自适应驻留式微气泡阵列在不同流速下航行体表面流动阻力与减阻率图；
图中：
1、基体；2、直流电源；3、电极壁面微凹坑；4、绝缘漆层；5、航行体；6、微气泡；7、高精度拉压力传感器；8、连接杆；9、碳棒。
具体实施方式
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，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方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，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方式，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。
实施例一：
请参考图1-3，一种自适应控制驻留式微气泡阵列流动减阻装置，包括基体1和直流电源2，所述基体1通过电源导线连接至所述直流电源2的负极，所述直流电源2的正极通过碳棒与水流连通。所述基体1的上表面均匀设置有若干圆柱状的电极壁面微凹坑3，其中，所述基体1上表面，即与外界水流接触一面铺设有绝缘漆层4，所述电极壁面微凹坑3内壁面覆盖有金属层用于导通流动水流形成回路。所述电极壁面微凹坑3的孔直径为200μm-300μm，深度为100μm-150μm。
优选的，所述电极壁面微凹坑3之间为等间距阵列排布，所述间距为200μm。所述基体1的厚度为1mm。进一步的，当所述电极壁面微凹坑3的孔直径为250μm,深度为125μm，或者，孔直径为300μm，深度为150μm时，该两组数据测得减阻率在上述范围(孔直径为200μm-300μm，深度为100μm-150μm)内最大。
其中，本实施例中，所述基体1为金属铜片材质。通过在金属铜片上层表面铺设绝缘漆层，使所述金属铜片上表面与水流接触时绝缘不发生反应，所述金属铜片下表面通过电源导线连接直流电源2，并通过所述电极壁面微凹坑3与流动的水流产生反应，形成微气泡提高抗阻率。
本实施例建立一个参考例，采用上述自适应驻留式微气泡阵列减阻装置在一个参照环境内获得其减阻参数。
实验数据
通过实施例一公开的结构的参数进行实际测试，实验参数具体如下：
所述航行体5为基于Clack-Y翼型前缘的翼型体，长度为80mm，厚度为3mm；
所述基体1的长度与宽度均为70mm，所述基体1的厚度为1mm，所述基体1上的电极壁面微凹坑3之间为等间距阵列排布，间距取值为200μm；
水流流速为0.3～1.0m/s；
电源电压15V～30V；
所述电极壁面微凹坑3选取三组测试值(孔直径/深度)：200μm/100μm；250μm/125μm；300μm/150μm；
参考项：光滑表面。
如图4所示，本参考例中，用于测试所述自适应驻留式微气泡阵列减阻装置的试验装置包括，高精度拉压力传感器7、连接杆8、不同表面的航行体5和碳棒9。
本参考例中，自适应驻留式微气泡阵列减阻试验方法，包括以下步骤：
步骤1：在精密循环水洞试验器中放入碳棒9，所述碳棒9通过电源导线连接到稳压直流电源的正极。将上述制备的未铺设具有电极壁面微凹坑3的基体1的航行体5(参考项)与制备的铺设具有不同直径的电极壁面微凹坑3的基体1的航行体5，通过电源导线与稳压直流电源的负极连接，施加15～30V电压，同时精密循环水洞试验器设置0.3～1.0m/s的流速，连接杆8与航行体5、高精度拉压力传感器7相连，构成精密流动测阻系统，固定于精密循环水洞台车。
步骤2：利用高精度拉压力传感器5与高精度测力仪，记录四种航行体5在相同的特定流速下的流动阻力；
步骤3：比较上述各种航行体5的在水下运动过程的阻力变化，观察其运动过程产生的微气泡6。
本参考例中，所述航行体5表面受力分析图如图5。其中所述基体1受到来流的分布力f0，其余在水下的连接杆8受到来流的分布力f1。根据力学分析，分布力f0和f1均可合成集中力F0和F1，将集中力F0和F1根据刚体上力的平移定理，平移至精密拉压力传感器7中心，得到F0和F1的合力F2，精密拉压力传感器7产生大小相等方向相反的力F3，读取的示数与力矩无关。
在实验过程中，需测得未安装航行体5时连接杆8的阻力值F1，再测得安装不同表面航行体7时与连接杆8之间的合力F2，用测得的合力F2扣除连接杆8阻力值F1，即得到不同表面航行体7在不同来流工况下的阻力值F0。
试验结果如下表所示，表1为在不同流速下光滑表面和设置有驻留式微气泡阵列的表面的摩擦力，表2为在不同流速下所述驻留式微气泡阵列表面减阻率。
表1
表2
由上表可知，当所述电极壁面微凹坑3孔直径为250μm,深度为125μm，或者，孔直径为300μm，深度为150μm时，减阻率都达到10％以上，均能达到较好的减阻效果。其中，优选的，当所述电极壁面微凹坑3孔直径为250μm,深度为125μm时，本方案效果最佳，此时表面摩擦力最小，减阻率最大。
具体请参考图5，为根据表1、表2总结得到的本实施例制备的自适应驻留式微气泡阵列减阻装置在不同流速下的流动阻力与减阻率图，当所述电极壁面微凹坑3的直径为250μm，深度为125μm时，减阻率最大，为29.19％。
本装置工作时，可以在设置在所述航行体5表面的电极壁面微凹坑3内稳定地形成驻留微气泡6，实现减阻效果。本发明可随着微气泡6的破裂或脱落而自动开启反应生成新的微气泡6，实现对微气泡6的自适应控制，有效降低能耗和成本，易于实现在实际工程中的应用。此外，本发明还可以通过调节电压的高低，来控制微气泡生成的速率，通过调节微纳电极壁面凹坑的直径来控制生成微气泡的直径，由此实现对减阻效果的调节。
实施例二：
请参考图2-3，本实施例提供一种所述自适应驻留式微气泡阵列流动减阻装置的制备方法，
步骤1：制备基体1：在基体1的上表面通过激光打孔形成电极壁面微凹坑3；
其中，所述基体1为金属材质，本实施方案中，选取高平整度的金属片作为基体1，经表面抛光、清洗后，在所述金属铜片表面进行一次金属底漆喷涂并烘干，在所述金属铜片上表面进行两次绝缘漆层4喷涂并烘干，通过两次喷涂以确保绝缘材料与金属试片之间的粘合度，避免漆层脱落。待所述金属铜片表面涂覆完毕，采用微钻头雕刻机对涂覆有绝缘漆层4一侧的金属铜片进行阵列打孔，进而形成均匀排列的电极壁面微凹坑3；
所述电极壁面微凹坑3的直径为200μm-300μm，深度为100μm-150μm，相邻所述电极壁面微凹坑3之间间距为200μm等距排列；
所述基体选用厚度为1mm的金属铜片。
步骤2：导线连接：通过所述电源导线连接所述基体1下表面的金属层和所述直流电源2的负极；
具体的，将所述电源导线与所述基体1的下表面连接的一端在连接处覆盖聚氯乙烯电气绝缘胶带，所述电源导线另一端连接至所述直流电源2的负极，所述直流电源2的正极连接有碳棒9，所述碳棒9与外界水流导通。
本发明提供的自适应驻留式微气泡阵列产生微气泡及自适应控制原理如下：
1、将自适应驻留式微气泡阵列减阻装置放入水中，利用金属铜片的导电性，通过电解产生的氢气会被所述电极壁面微凹坑3束缚住，形成微气泡6，当微气泡6充满所述电极壁面微凹坑3时，则形成的微气泡6隔断电极与水流之间的接触，反应自动终止(如图3(a)所示)；
2、当水流流动时，微气泡6受到流动水流的剪切作用力，发生破裂或脱落，气液界面不断降低(如图3(b)所示)。当所述气液界面降低到一定位置时，所述基体1的金属电极重新与水流接触连通，则自适应控制启动。此时，所述基体1重新与水流发生反应，实时补充微气泡6，使微气泡6维持在足以隔离水流与电极的状态下，从而达到稳定维持微气泡6的效果(如图3(c)所示)。同时，由于所述微气泡6的稳定驻留，有效降低了航行体5表面的剪切应力，减少了平面上的阻力。
实施例三：
本实施例提供一种将所述自适应驻留式微气泡阵列流动减阻装置安装在航行器上的方法，包括，
步骤1：清理航行体5：对所述航行体5进行表面清理；
具体的，首先用无水乙醇对所述航行体5的外表面进行一次清洗，再使用去离子水对所述航行体5的外表面进行二次清洗，待所述航行体5表面清洗并干燥后，进行基体1的铺设。
步骤2：铺设基体1：在航行体5表面铺设基体1；
基体1铺设时，采用硅酮密封胶将所述基体1的下表面贴合设置于所述航行体5表面，同时保证铺设位置的平整性。此时，所述基体1的上表面，即设置有所述电极壁面微凹坑3的一侧表面，裸露在外侧，可与流体接触，所述电极壁面微凹坑3与外界水流接触形成回路，所述基体1上表面设置有绝缘漆层4隔绝所述基体1其他裸露面与外界水流接触形成回路导通。
步骤3：航行体5烘干：采用真空烘干机对已铺设所述基体1的航行体5在130℃下真空烘干5min，保存备用。
当所述航行体5行驶时，表面受较大流动阻力，对体表形成磨损。通过安装所述自适应驻留式微气泡阵列减阻装置，可使其在行驶过程中与流动水流导通形成回路，在所述电极壁面微凹坑3内不断形成微气泡，微气泡外溢与流动水流接触，达到对所述航行体5减阻的效果。
以上所述仅为本发明的优选实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种自适应控制驻留式微气泡阵列流动减阻装置，包括基体(1)和直流电源(2)，所述基体(1)电连接至所述直流电源(2)的负极，所述直流电源(2)的正极与外界水流导通，其特征在于，
所述基体(1)的上表面均匀设置有若干圆柱状的电极壁面微凹坑(3)，所述电极壁面微凹坑(3)的壁面覆盖有金属层，所述基体(1)上表面铺设有绝缘漆层(4)，
所述电极壁面微凹坑(3)的直径为200μm-300μm，深度为100μm-150μm。
2.根据权利要求1所述的一种自适应控制驻留式微气泡阵列流动减阻装置，其特征在于，所述电极壁面微凹坑(3)的孔直径为250μm,深度为125μm，或者，孔直径为300μm，深度为150μm。
3.根据权利要求1或2所述的一种自适应控制驻留式微气泡阵列流动减阻装置，其特征在于，所述电极壁面微凹坑(3)为等间距阵列排布，所述间距为200μm。
4.根据权利要求1所述的一种自适应控制驻留式微气泡阵列流动减阻装置，其特征在于，所述基体(1)的厚度为1mm。
5.根据权利要求1所述的一种自适应控制驻留式微气泡阵列流动减阻装置，其特征在于，所述基体(1)为金属铜片材质。
6.一种如权利要求1所述的自适应驻留式微气泡阵列流动减阻装置的制备方法，其特征在于，包括以下步骤，
步骤1：制备基体(1)：在基体(1)的上表面通过激光打孔形成电极壁面微凹坑(3)；
步骤2：导线连接：通过电源导线连接所述基体(1)和所述直流电源(2)的负极，所述直流电源(2)的正极与外界水流导通。
7.根据权利要求6所述的自适应驻留式微气泡阵列流动减阻装置的制备方法，其特征在于，所述步骤1中，所述在基体(1)的上表面通过激光打孔形成电极壁面微凹坑(3)包括，
选取高平整度的金属铜片作为基体(1)，经表面抛光、清洗后，在所述金属铜片表面进行一次金属底漆喷涂并烘干，所述金属铜片上表面进行两次绝缘漆层(4)喷涂并烘干，
采用微钻头雕刻机对涂覆有绝缘漆层(4)一侧的金属铜片进行阵列打孔形成电极壁面微凹坑(3)。
8.根据权利要求6所述的自适应驻留式微气泡阵列流动减阻装置的制备方法，其特征在于，所述步骤1中，所述在基体(1)的上表面通过激光打孔形成电极壁面微凹坑(3)包括，
所述电极壁面微凹坑(3)的直径为200μm-300μm，深度为100μm-150μm。
9.根据权利要求6所述的自适应驻留式微气泡阵列流动减阻装置的制备方法，其特征在于，所述步骤2中，所述通过电源导线连接所述基体(1)和所述直流电源(2)的负极包括，
将所述电源导线一端通过聚氯乙烯电气绝缘胶带连接到所述基体(1)的下表面，另一端连接至所述直流电源(2)的负极。
10.根据权利要求6所述的自适应驻留式微气泡阵列流动减阻装置的制备方法，其特征在于，所述步骤2中，所述直流电源(2)的正极与外界水流导通包括，
所述直流电源(2)的正极连接有一碳棒(9)，所述碳棒(9)与外界水流接触。
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