CN115649399B - 利用水凝胶延迟边界层转捩的水下航行体的制备方法 - Google Patents

利用水凝胶延迟边界层转捩的水下航行体的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及利用水凝胶延迟边界层转捩的水下航行体及其制备方法，包括航行体本体，其航行方向的前部设置为导流罩，导流罩外壁面上交联有水凝胶，水凝胶将导流罩外壁面完全覆盖；在水中航行时，水凝胶表面与边界层流动存在流固耦合作用机制，能够自适应于边界层内非定常流动，兼具被动控制的无额外能量消耗、主动(闭环)控制的自适应两方面的优势，以绕流边界层内出现的规则大尺度流动结构，抑制边界层内不稳定波的快速增长，进而延迟水下航行体首部曲面边界层转捩，从而显著降低由边界层转捩引起的局部脉动压力激增；尤其适用于以首部被动声纳为主要远程探测手段的水下航行体，通过延迟边界层转捩显著降低首部声纳自噪声，提升声纳探测能力。

Description

利用水凝胶延迟边界层转捩的水下航行体的制备方法
技术领域
本发明涉及水下航行体技术领域，尤其是一种利用水凝胶延迟边界层转捩的水下航行体及其制备方法。
背景技术
边界层转捩是边界层内不稳定波的快速增长，并最终由层流演变为湍流的边界层流态转变的过程，同时伴随着阻力、压力、传热等流动关键参数的急剧变化，因此，对边界层转捩机理研究和流动控制方法研究工作广泛开展，尤其在航空、航天领域研究成果颇为丰富，而在水下航行体边界层转捩控制方法研究中，具备以下显著特点：
(1)为了尽量减小附加质量，水下航行体的主体多为流线型回转体或非回转体，其首部曲面边界层流动，在首部圆钝头体前缘驻点流动推动边界层转捩和顺压梯度抑制边界层转捩的共同作用下，边界层转捩发生；
(2)水下航行体首部曲面边界层转捩引起局部脉动压力激增，成为水下航行体首部声纳自噪声的重要分量，严重影响首部声纳探测能力；
(3)延迟或避免边界层转捩，可有效降低首部声纳自噪声；
(4)边界层主动或被动控制措施，都有可能促进边界层不稳定波的快速增长，致使转捩提前，且受到复杂的控制系统布置或加工工艺的限制；
(5)边界层控制措施的声学阻抗与水匹配，对首部导流罩的透声性能无影响。
基于上述，适用于延迟水下航行体边界层转捩的控制方法并不多见。
另一方面，水凝胶作为一种物理与力学特性类水的固体柔性材料，普遍存在于海洋生物(如海参、水母)机体内，以及人(动物)体内，比如人体的肌腱、关节处的韧带和软骨等与机械运动相关的组织由水凝胶构成的，因此，水凝胶具备良好的海洋环境适应性、声学阻抗与水完全匹配且能够承受一定的作用力。
发明内容
本申请人针对上述现有生产技术中的缺点，提供一种结构合理的利用水凝胶延迟边界层转捩的水下航行体及其制备方法，从而以水凝胶表面绕流边界层内出现的规则大尺度流动结构抑制边界层内不稳定波的快速增长，延迟水下航行体首部曲面边界层转捩，进而显著降低由边界层转捩引起的局部脉动压力激增，解决因边界层转捩引起水下航行体首部声纳自噪声过高，而影响首部声纳远程探测能力的瓶颈问题。
本发明所采用的技术方案如下：
一种利用水凝胶延迟边界层转捩的水下航行体，包括航行体本体，所述航行体本体航行方向的前部设置为导流罩，导流罩外壁面交联有水凝胶，水凝胶将导流罩外壁面完全覆盖。
作为上述技术方案的进一步改进：
所述水凝胶贴合着航行体本体外壁面向后延伸至尾部，航行体本体尾端向后伸出水凝胶，航行体本体尾端安装有推进系统。
所述导流罩内部安装有声纳阵。
所述导流罩和航行体本体均为金属壳体。
所述水凝胶的厚度为5mm～150mm。
所述水凝胶的成分包括：丙烯酰胺、海藻酸钠、N，N-亚甲基双丙烯酰胺、四甲基乙二胺、二水合硫酸钙、过硫酸氨、水，其质量比为：5～25：0.5～8：0.02～0.1：0.001～0.02：0.01～0.2：0.005～0.02：100。
所述航行体本体结合导流罩，构成表面光滑的外壁面。
一种所述的利用水凝胶延迟边界层转捩的水下航行体的制备方法，包括如下步骤：
将航行体本体以及其上导流罩均装配完成，形成外壁面光滑的水下航行体；
根据预设的水凝胶厚度，制作成型模具；
将成型模具固定套装于水下航行体外壁面上，成型模具内壁面与水下航行体外壁面之间形成间隔；
配置水凝胶溶液，将水凝胶溶液注入成型模具内部与水下航行体之间的间隔内；
常温静置，使得水凝胶溶液固化；
水凝胶溶液固化为水凝胶后，将成型模具拆除；
将包覆有水凝胶的水下航行体放入氯化钙溶液中浸泡；
从氯化钙溶液中取出，完成水下航行体外壁面上水凝胶的制备，获得表面交联有水凝胶的水下航行体。
作为上述技术方案的进一步改进：
所述成型模具内腔与所述水下航行体外壁面仿形设置，成型模具的材质为透明的亚克力。
所述氯化钙溶液的质量分数为30％，在氯化钙溶液中浸泡5～8天。
本发明的有益效果如下：
本发明结构紧凑、合理，通过在水下航行体水、固交界面增加一层亲水仿生材料，利用水凝胶与水下航行体绕流边界层流固耦合作用机制，水凝胶能够自适应于边界层内非定常流动且无需额外消耗能量，兼具被动控制的无额外能量消耗、主动(闭环)控制的自适应这两方面的优势，避免受复杂的控制系统布置或加工工艺的限制；
以水凝胶表面绕流边界层内出现的规则大尺度流动结构，来抑制边界层内不稳定波的快速增长，进而延迟水下航行体首部曲面边界层转捩，从而显著降低由边界层转捩引起的局部脉动压力激增；
尤其适用于以首部被动声纳为主要远程探测手段的水下航行体，利用水凝胶与边界层流固耦合作用机制，能够通过延迟边界层转捩显著降低首部声纳自噪声，提升声纳探测能力，从而解决因边界层转捩引起水下航行体首部声纳自噪声过高，而影响首部声纳远程探测能力的瓶颈问题。
附图说明
图1为本发明水下航行体外表面制备交联水凝胶时的示意图。
图2为本发明水下航行体外表面制备交联水凝胶的制备过程图。
图3为本发明水凝胶动态变形与近壁区速度场流固耦合现象频谱图。
图4为本发明有无水凝胶表面时水下航行体航行阻力系数分布图。
图5为本发明有无水凝胶表面时水下航行体壁面脉动压力均方根值沿回转体轴向占位的分布图。
图6为本发明有无水凝胶表面时水下航行体壁面脉动压力频谱图。
图7为本发明有无水凝胶表面时水下航行体边界层平均法向速度分布等值线图。
其中：1、航行体本体；2、导流罩；3、水凝胶；4、声纳阵；5、成型模具；6、推进系统。
具体实施方式
下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。
如图1所示，本实施例的利用水凝胶延迟边界层转捩的水下航行体，包括航行体本体1，航行体本体1航行方向的前部设置为导流罩2，导流罩2外壁面上交联有水凝胶3，水凝胶3将导流罩2外壁面完全覆盖。
进一步地，水凝胶3贴合着航行体本体1外壁面向后延伸至尾部，航行体本体1尾端向后伸出水凝胶3，航行体本体1尾端安装有推进系统6。
导流罩2内部安装有声纳阵4。
由于水凝胶3与金属等表面的之间的粘合力良好，因此将导流罩2和航行体本体1均设置为金属壳体，以使得其外壁面与水凝胶3可靠交联、粘合。
可以通过水下航行体的预设航速来设置其表面所要交联的水凝胶3的厚度，通常设定水凝胶3的厚度为5mm～150mm，以便在比较宽的水下航行体航速范围内，水凝胶3表面与绕流边界层均出现流固耦合机制，延迟或避免边界层转捩。
水凝胶3的成分包括：丙烯酰胺、海藻酸钠、N，N-亚甲基双丙烯酰胺、四甲基乙二胺、二水合硫酸钙、过硫酸氨、水，其质量比为：5～25：0.5～8：0.02～0.1：0.001～0.02：0.01～0.2：0.005～0.02：100。
进一步地，可以设定水凝胶3中丙烯酰胺、海藻酸钠、N，N-亚甲基双丙烯酰胺、四甲基乙二胺、二水合硫酸钙、过硫酸氨、水的质量比为20:4.0:0.03:0.002:0.03:0.015:100；将该成分配比的水凝胶3交联于水下航行体外壁面上，可以在2～7m/s航速，相当于3.89～13.61节的航速下，延迟水下航行体首部曲面边界层转捩的效果极其显著。
航行体本体1结合导流罩2构成表面光滑的外壁面，便利于外壁面上水凝胶3的可靠交联。
本实施例的利用水凝胶延迟边界层转捩的水下航行体的制备方法，如图2所示，包括如下步骤：
将航行体本体1以及其上导流罩2均装配完成，形成外壁面光滑的水下航行体；
根据预设的水凝胶3厚度，制作成型模具5；成型模具5内腔与水下航行体外壁面仿形设置，也就是说，其壁面型线一致；成型模具5的材质为透明的亚克力，通常选用聚甲基丙烯酸甲酯；
将成型模具5固定套装于水下航行体外壁面上，成型模具5内壁面与水下航行体外壁面之间形成间隔；
配置水凝胶3溶液，将水凝胶3溶液注入成型模具5内部与水下航行体之间的间隔内；
常温静置，使得水凝胶3溶液固化；
水凝胶3溶液固化为水凝胶3后，将成型模具5拆除；
将包覆有水凝胶3的水下航行体放入氯化钙溶液中浸泡；氯化钙溶液的质量分数为30％，在氯化钙溶液中浸泡5～8天，比如7天，可以根据实际情况而定；
从氯化钙溶液中取出，完成水下航行体外壁面上水凝胶3的制备，获得表面敷设有水凝胶3的水下航行体。
在制备水凝胶3溶液时，可以先将丙烯酰胺、海藻酸钠搅拌并按照质量配比溶于水中，充分搅拌至完全溶解后得到溶液A；而后依次按照质量配比加入N，N-亚甲基双丙烯酰胺、四甲基乙二胺、二水合硫酸钙、过硫酸氨至溶液A中，充分搅拌得到悬浊液B，也就是水凝胶3溶液；再将悬浊液B注入成型模具5中与水下航行体间隔之间，常温静置5天左右，水凝胶3溶液将固化为水凝胶3。
由于水凝胶3的声学阻抗与水匹配，因此在水下航行体导流罩2外壁面交联水凝胶3后，对首部导流罩2的透声性能无影响，具备深海耐压、模量解耦等天然优势；
在实际使用过程中，水凝胶保存于阴凉、潮湿环境为宜，也可在表面喷水后用薄膜裹覆，以保持一定含水量。
表面交联有水凝胶3的水下航行体在水下航行时，水凝胶3与绕流边界层流动存在流固耦合作用机制，在水凝胶3壁面的动态变形频谱和近壁区流向脉动速度频谱，均在频率f1、f2、f3出现谱峰值，如图3所示，这表明：f1、f2、f3频段，水凝胶表面动态变形与边界层流动出现了显著的流固耦合现象，与无动态变形的刚性表面和速度场存在显著差别。
将交联有水凝胶3的水下航行体，与同尺度、同外形的刚性表面水下回转体相比较，从以下几个方面来对水凝胶3转捩延迟效果进行评估：
①总阻力系数随航速分布
随航速升高，刚性金属表面边界层在航速U1发生转捩；水凝胶表面边界层始终为层流，显著延迟转捩；如图4所示。
②壁面脉动压力均方根
从壁面脉动压力均方根值沿水下航行体轴向占位的分布来看，壁面脉动压力激增位置，代表边界层转捩位置，其中，以刚性金属表面转捩位置为基准，水凝胶使转捩延迟，如图5所示。
③壁面脉动压力频谱
在相同航速、相同测点处的壁面脉动压力频谱特征，也表征了水凝胶延迟转捩的效果。在航速U2下，刚性金属表面处于边界层转捩区，壁面脉动压力频谱呈现了典型的转捩流动频谱特征；在相同航速、相同测点处，水凝胶表面壁面脉动压力频谱呈现了典型的层流边界层流动频谱特征，故水凝胶表面为层流边界层，与刚性金属表面相比较，显著延迟转捩，如图6所示。
④边界层平均速度场
在航速U1，对比了具备转捩延迟效果的水凝胶表面和刚性金属表面边界层平均法向速度分布等值线图，挖掘延迟转捩的内在机理：水凝胶通过流固耦合机制，向边界层内引入了规则的大尺度流动结构，抑制了边界层内不稳定波的快速增长，显著延迟边界层转捩，如图7所示。
通过在水下航行体水、固交界面增加一层亲水仿生材料，利用水凝胶与水下航行体绕流边界层流固耦合作用机制，水凝胶能够自适应于边界层内非定常流动且无需额外的能量消耗，兼具被动控制的无额外能量消耗、主动(闭环)控制的自适应这两方面的优势，避免受复杂的控制系统布置或加工工艺的限制；
以水凝胶表面绕流边界层内出现的规则大尺度流动结构，来抑制边界层内不稳定波的快速增长，进而延迟水下航行体首部曲面边界层转捩，从而显著降低由边界层转捩引起的局部脉动压力激增；
尤其适用于以首部被动声纳为主要远程探测手段的水下航行体，利用水凝胶与边界层流固耦合作用机制，能够通过延迟边界层转捩显著降低首部声纳自噪声，提升声纳探测能力，从而解决因边界层转捩引起水下航行体首部声纳自噪声过高，而影响首部声纳远程探测能力的瓶颈问题。
以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在本发明的保护范围之内，可以作任何形式的修改。

Claims (9)

1.一种利用水凝胶延迟边界层转捩的水下航行体的制备方法，包括航行体本体（1），其特征在于：所述航行体本体（1）航行方向的前部设置为导流罩（2），导流罩（2）外壁面上交联有水凝胶（3），水凝胶（3）将导流罩（2）外壁面完全覆盖；
一种所述的利用水凝胶延迟边界层转捩的水下航行体的制备方法，包括如下步骤：
将航行体本体（1）以及其上导流罩（2）均装配完成，形成外壁面光滑的水下航行体；
根据预设的水凝胶（3）厚度，制作成型模具（5）；
将成型模具（5）固定套装于水下航行体外壁面上，成型模具（5）内壁面与水下航行体外壁面之间形成间隔；
配置水凝胶（3）溶液，将水凝胶（3）溶液注入成型模具（5）内部与水下航行体之间的间隔内；
常温静置，使得水凝胶（3）溶液固化；
水凝胶（3）溶液固化为水凝胶（3）后，将成型模具（5）拆除；
将包覆有水凝胶（3）的水下航行体放入氯化钙溶液中浸泡；
从氯化钙溶液中取出，完成水下航行体外壁面上水凝胶（3）的制备，获得表面交联有水凝胶（3）的水下航行体。
2.如权利要求1所述的利用水凝胶延迟边界层转捩的水下航行体的制备方法，其特征在于：所述水凝胶（3）贴合着航行体本体（1）外壁面向后延伸至尾部，航行体本体（1）尾端向后伸出水凝胶（3），航行体本体（1）尾端安装有推进系统（6）。
3.如权利要求1所述的利用水凝胶延迟边界层转捩的水下航行体的制备方法，其特征在于：所述导流罩（2）内部安装有声纳阵（4）。
4.如权利要求1所述的利用水凝胶延迟边界层转捩的水下航行体的制备方法，其特征在于：所述导流罩（2）和航行体本体（1）均为金属壳体。
5.如权利要求1所述的利用水凝胶延迟边界层转捩的水下航行体的制备方法，其特征在于：所述水凝胶（3）的厚度为5mm~150mm。
6.如权利要求1所述的利用水凝胶延迟边界层转捩的水下航行体的制备方法，其特征在于：所述水凝胶（3）的成分包括：丙烯酰胺、海藻酸钠、N，N-亚甲基双丙烯酰胺、四甲基乙二胺、二水合硫酸钙、过硫酸氨、水，其质量比为：5~25:0.5~8:0.02~0.1:0.001~0.02:0.01~0.2:0.005~0.02:100。
7.如权利要求1所述的利用水凝胶延迟边界层转捩的水下航行体的制备方法，其特征在于：所述航行体本体（1）结合导流罩（2）构成表面光滑的外壁面。
8.如权利要求1所述的利用水凝胶延迟边界层转捩的水下航行体的制备方法，其特征在于：所述成型模具（5）内腔与所述水下航行体外壁面仿形设置，成型模具（5）的材质为透明的亚克力。
9.如权利要求1所述的利用水凝胶延迟边界层转捩的水下航行体的制备方法，其特征在于：所述氯化钙溶液的质量分数为30%，在氯化钙溶液中浸泡5~8天。
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