本發(fā)明涉及水下減阻技術(shù)，具體地說，涉及一種基于電解水動態(tài)補(bǔ)氣的超疏水表面氣膜減阻模型。

背景技術(shù)：

固液之間的摩擦阻力普遍存在于水下航行體與水面艦艇表面以及輸送液體的管道內(nèi)壁面，減少摩擦阻力對于提高水下航行器和水面艦艇的航速與航程有著極其重要的工程價值，同時降低能源消耗具有重要的環(huán)保和經(jīng)濟(jì)意義。由于空氣的粘性明顯小于水的粘性，相比于水下航行體，空氣中的航行體所受到的摩擦阻力非常小。因此人們開始嘗試用一層氣體將水下航行體表面與液體分開，用氣固摩擦來取代固液摩擦從而實現(xiàn)減阻。

發(fā)明專利200710038322.5“氣膜減阻高速船”,該氣膜減阻高速船利用風(fēng)機(jī)向船底通入空氣形成氣層，但該方法只適用于船底為凹形的水面艦船，不能應(yīng)用于水下航行體減阻；專利200610026224.5“水下高速航體通入過熱蒸汽致超空化的方法和裝置”和專利200610127927.7“超空化氣液多相噴水推進(jìn)器”分別利用熱蒸汽和葉輪來產(chǎn)生空化，從而在航行體表面維持氣體層的存在，但這兩種方法所需要的條件苛刻，工程應(yīng)用難度大，且需要附加能量的輸入，成本較高；發(fā)明專利201510579215.8“基于潤濕性調(diào)控的氣膜減阻模型及其制作方法”,利用潤濕性調(diào)控在固體表面構(gòu)造親疏水相間的區(qū)域，實現(xiàn)了水下固體表面氣膜的封存，但該氣膜為一次性人工通入，一旦氣膜流失將得不到氣體補(bǔ)充。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了避免現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，克服現(xiàn)有超疏水表面減阻技術(shù)中存在的氣膜易于流失致使減阻失效的問題，本發(fā)明提出一種基于電解水動態(tài)補(bǔ)氣的超疏水表面氣膜減阻模型。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:包括基板模型、鉑金絲電極、超疏水涂層、電極過線孔、直流電源，其特征在于所述基板模型為有機(jī)玻璃平板，基板模型上表面均布有若干方形凹槽,在方形凹槽內(nèi)表面采用超疏水涂層做疏水處理，方形凹槽內(nèi)設(shè)有用于電解水的鉑金絲電極，正負(fù)鉑金絲電極分布于方形凹槽內(nèi)兩相對側(cè)壁面，電極頂部與方形凹槽上表面平齊，超疏水區(qū)域的本征接觸角大于150；其制作方法包括以下步驟:

步驟1.制作氣膜減阻基板模型；制作氣膜減阻基板模型，若所述氣膜減阻模型基體為平板狀，在氣膜減阻基板模型上表面加工方形凹槽微結(jié)構(gòu)，緊貼方槽相對兩內(nèi)壁面，加工電極過線孔；

步驟2.表面清洗；利用去離子水和丙酮將減阻層區(qū)域清洗干凈；

步驟3.噴涂超疏水涂層材料；將超疏水涂層材料涂覆在減阻層區(qū)域表面，噴涂厚度為20μm；噴涂后放置30～60min，使噴涂的超疏水涂層材料凝固，得到方形凹槽內(nèi)壁面的超疏水區(qū)域；

步驟4.通過電極過線孔緊貼方形凹槽內(nèi)壁面粘貼鉑金絲電極；

步驟5.用PDMS固化材料在基板模型下表面做絕緣和密封處理；

步驟6.將鉑金絲電極通過導(dǎo)線連接于直流電源正負(fù)極。

有益效果

本發(fā)明根據(jù)電解水會在直流電源正負(fù)極上產(chǎn)生氣體原理，提出一種基于電解水動態(tài)補(bǔ)氣的超疏水表面氣膜減阻模型。該結(jié)構(gòu)能實現(xiàn)流失氣體的動態(tài)補(bǔ)充，從而達(dá)到穩(wěn)定減阻效果。與超空化減阻相比，該技術(shù)能耗更少，適用于低流速的情況；與通氣氣膜減阻相比，該技術(shù)不需要長時間連續(xù)通氣，僅在氣液界面低于電極上端時，自動觸發(fā)電解電路及時補(bǔ)充氣體，且對航行體的形狀沒有限制，對水面艦船和水下航行器均適用；與超疏水表面減阻相比，該技術(shù)能夠穩(wěn)定的維持氣膜，實現(xiàn)了減阻效果的持續(xù)性和有效性，有利于實際工程應(yīng)用。

1.本發(fā)明利用直流電源電極觸水即電解的特性，通過在超疏水微結(jié)構(gòu)內(nèi)部布置電解電極，以電解水的方法實現(xiàn)了模型表面氣膜在水流沖刷下的動態(tài)補(bǔ)充，解決了現(xiàn)有技術(shù)中氣膜的流失問題，達(dá)到水下穩(wěn)定持久減阻的效果。

2.本發(fā)明實現(xiàn)了當(dāng)氣液界面降至電極下方時自動觸發(fā)實現(xiàn)氣體動態(tài)補(bǔ)充，是一種超疏水表面氣液界面形態(tài)主動控制的方式，操作簡單易行，可控性較好，實用性強(qiáng)，應(yīng)用前景廣闊。

3.本發(fā)明可通過調(diào)節(jié)電極高度，來形成可控厚度的氣膜層，能源消耗少，控制精確，有利于實現(xiàn)減阻效果的人工控制。

通過實驗證明，利用基于電解水的超疏水表面微結(jié)構(gòu)內(nèi)部氣體動態(tài)補(bǔ)充方法，能夠?qū)崿F(xiàn)氣膜在超疏水微結(jié)構(gòu)內(nèi)部的穩(wěn)定駐留。在平板模型上的各超疏水方坑內(nèi)部駐存有穩(wěn)定的氣膜，且經(jīng)過0.1m/s水流持續(xù)沖刷1h后，無電解水持續(xù)補(bǔ)充氣體的微結(jié)構(gòu)內(nèi)部氣膜消失殆盡，而經(jīng)電解水持續(xù)補(bǔ)充氣體的微結(jié)構(gòu)內(nèi)部，氣膜無明顯變化，氣膜存在有效減小了平板與水直接接觸的面積。正是由于模型表面一部分區(qū)域與水流之間被低粘度、低密度的氣體所隔離，從而能減小壁面切應(yīng)力，顯著降低模型阻力。反復(fù)阻力測試發(fā)現(xiàn)，帶有電解水持續(xù)補(bǔ)充氣體裝置的微結(jié)構(gòu)表面在0.1m/s水速沖刷時，減阻量達(dá)23.6％，0.15m/s時減阻量達(dá)14.3％；且隨時間變化不明顯。

附圖說明

下面結(jié)合附圖和實施方式對本發(fā)明一種基于電解水動態(tài)補(bǔ)氣的超疏水表面氣膜減阻模型作進(jìn)一步詳細(xì)說明。

圖1為本發(fā)明基于電解水動態(tài)補(bǔ)氣的超疏水表面氣膜減阻模型示意圖。

圖2a、圖2b為電解水動態(tài)補(bǔ)充氣體減阻模型工作原理示意圖。

圖3為長時間水流作用下平板模型氣液界面穩(wěn)定駐留效果圖；

a為初始工作時氣液界面形態(tài)b為水流作用2h后氣膜形態(tài)。

圖4為電解水動態(tài)補(bǔ)充氣體減阻模型與普通疏水微結(jié)構(gòu)模型效果對比圖；

a為普通疏水微結(jié)構(gòu)模型減阻效果隨時間變化曲線。

b為電解水動態(tài)補(bǔ)充氣體減阻模型減阻效果隨時間變化曲線。

圖中:

1.基板模型 2.水 3.鉑金絲電極 4.導(dǎo)線 5.氣液界面 6.流道上壁面 7.超疏水涂層 8.電極過線孔 9.直流電源

具體實施方式

本實施例是一種基于電解水動態(tài)補(bǔ)氣的超疏水表面氣膜減阻模型。

參閱圖1～圖4，本實施例基于電解水動態(tài)補(bǔ)氣的超疏水表面氣膜減阻模型，由基板模型1、鉑金絲電極3、超疏水涂層7、電極過線孔8、直流電源9組成；其中，基板模型1為有機(jī)玻璃平板，基板模型1上表面均布有若干方形凹槽,方形凹槽的長乘寬乘高為5mm*5mm*5mm；在方形凹槽內(nèi)表面采用超疏水涂層7做疏水處理，方形凹槽內(nèi)設(shè)有用于電解水的鉑金絲電極3，正負(fù)鉑金絲電極3分布于方形凹槽內(nèi)兩相對側(cè)壁面，鉑金絲電極頂部與方形凹槽上表面平齊，超疏水區(qū)域的本征接觸角為160°,鉑金絲電極為Φ＝0.5mm。

本實例制作方法包括以下步驟:

步驟1.制作氣膜減阻基板模型；制作氣膜減阻基板模型，若所述氣膜減阻模型基體為平板狀，在氣膜減阻基板模型上表面加工出陣列化的方形凹槽微結(jié)構(gòu)，緊貼方槽相對兩內(nèi)壁面，加工電極過線孔8。

步驟2.表面清洗；利用去離子水和丙酮將減阻層區(qū)域清洗干凈。

步驟3.噴涂超疏水涂層材料；將超疏水涂層材料涂覆在減阻層區(qū)域表面，噴涂厚度為20μm；噴涂后放置30～60min，使噴涂的超疏水涂層材料凝固，得到方形凹槽內(nèi)壁面的超疏水區(qū)域；本實例中，放置30min。

步驟4.通過電極過線孔緊貼方形凹槽內(nèi)壁面粘貼鉑金絲電極。

步驟5.用PDMS固化材料在基板模型下表面做絕緣和密封處理。

步驟6.將鉑金絲電極通過導(dǎo)線連接于直流電源正負(fù)極。

本實例中,當(dāng)減阻層的微結(jié)構(gòu)為其它形狀時，其制作方法與本實施例相同，需保證正負(fù)電極不直接接觸。

使用時，將氣膜減阻基板模型浸入水下，利用方形凹槽內(nèi)壁的超疏水表面疏水親氣的特性，方形凹槽內(nèi)將會存在束縛空氣層，并形成氣液界面5。本實例中，流道內(nèi)壓強(qiáng)均為大氣壓。隨后在流道內(nèi)利用壓差對氣膜施加剪切流動，隨氣體溶解，氣液界面5由狀態(tài)a逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)闋顟B(tài)b，當(dāng)氣液界面降低到電極以下時電解補(bǔ)氣開始，使氣液界面維持在狀態(tài)a所示位置，從而達(dá)到氣液界面穩(wěn)定維持的效果。正是由于所述氣膜的穩(wěn)定存在，使得氣膜減阻基板上面的一部分區(qū)域與水流之間被低粘度、低密度的氣體所隔離，而不直接接觸，從而減小了壁面切應(yīng)力，降低了氣膜減阻基板模型阻力。

通過測試發(fā)現(xiàn)，在氣膜減阻基板模型表面上形成大面積的穩(wěn)定氣膜，并測得氣膜減阻基板在0.1m/s水速時減阻量達(dá)23.6％，在0.15m/s時減阻量則為14.3％。同時，通過通氣量的控制，可調(diào)節(jié)氣膜的厚度，還能夠進(jìn)一步調(diào)節(jié)減阻效果。通過與普通疏水微結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行對比，可以發(fā)現(xiàn)，普通疏水微結(jié)構(gòu)模型減阻效果隨水流沖刷時間延長而逐漸降低，電解水動態(tài)補(bǔ)充氣體減阻模型減阻效果隨時間變化不大，從而說明氣膜減阻基板模型及方法對減阻效果維持的有效性。

本實施例基于電解水動態(tài)補(bǔ)氣的超疏水表面氣膜減阻模型以及制作方法，能夠在基板模型表面微結(jié)構(gòu)內(nèi)穩(wěn)定地駐留氣膜，實現(xiàn)減阻效果的持續(xù)性和有效性。通過電極高度的調(diào)節(jié)可來控制氣膜的厚度，進(jìn)而實現(xiàn)減阻效果的調(diào)節(jié)。另外，本實施例由于可以隨氣液界面的降低而主動工作，故而能耗成本較低，易于在工程中的實際應(yīng)用。