CN114715328B - 一种表面减阻结构材料 - Google Patents

Abstract

本发明属于减阻增速技术领域，涉及一种表面减阻结构材料，具体为一种表面有微型沟槽，内部为空腔的鳞片状翘起结构材料，由若干个表面带沟槽和内部为中空腔体的减阻单元经过阵列化排列组成，减阻单元的内部为空腔，支柱端与基材接触并固定在基材上，悬空端为倾斜面，且具有沟槽结构，支柱端和悬空端均开设有使腔体与外界连通的通孔，腔体内填充有粘液，粘液在水流压强作用下缓慢释放，分布到沟槽表面，实现粘液和结构的协同减阻功能；其结构与制备方法简单，设计巧妙，应用于水下航行器壳体表面，可提升水下航行器减阻降耗、增程续航能力，且无需占用内部空间，也不用消耗额外电力，具有潜在的应用前景。

Description

一种表面减阻结构材料

技术领域：

本发明属于减阻增速技术领域，具体涉及一种表面有微型沟槽，内部为空腔的鳞片状翘起结构材料，能够储存和释放粘液，具有减阻功能。

背景技术：

水下航行器包括水下无人航行器(UUV)、水下自主潜航器(AUV)、载人潜水器(HOV)和无人遥控潜水器(ROV)等，快速性是影响其使用性、经济性和航运能力的重要指标，当水下航行器的推力固定时,降低航行阻力是提高快速性的重要手段。因此，针对水下航行器航行面临流体阻力的问题，对其表面进行减阻处理是提高快速性、节省燃油消耗的重要措施。由于水下航行器的摩擦阻力占到总阻力的50％以上，从减小表面摩擦阻力角度出发，研究了超疏水减阻、沟槽减阻、粘液(高聚物或表面活性剂)减阻、结构和粘液协同减阻等技术，其中，结构减阻和粘液减阻相协同可实现更高的减阻效果。

中国专利201910168276.3公开的一种水下航行器粘液减阻装置，包括储液箱、分流管、输送管、集流管和回收箱；所述分流管通过管路与所述储液箱连接，分流管、集流管均整体呈圆环状，且其上对称、均匀开设多个通孔，输送管通过所述通孔连接在所述分流管和所述集流管之间，输送管的外侧面上均匀设置多个粘液释放孔，且所述输送管安装在航行器的内部边缘处，储液箱和所述回收箱之间设有循环泵；其将减阻粘液以喷射的方式输送到航行器表面，不但需要电力支持输送，而且占用内部空间。中国专利201811053561.2公开的一种高聚物浓溶液快速均匀稀释装置,包括控制器、引水管、计量泵、分支管、电动阀、电磁流量计、存储室、上游腔室、下游腔室、混合段、弯管段、电磁阀、输出管，所述控制器接收外部稀释指令，并输出控制信号，各组件接收对应信号后自动启动并调节；所述引水管位于计量泵前部处于上游位置，并经由分支管输出两路，其中一路经存储室进入混合段，另一路与混合段一端连接，混合段另一端依次连接弯管段、电磁阀、输出管；所述存储室用于存储预先配制的高聚物浓溶液，存储室内部分为上游腔室和下游腔室，两个腔室间以滑动活塞相隔；分支管输出的水经电动阀和电磁流量计进入上游腔室，活塞的移动使得下游腔室置换输出高聚物浓溶液；输出的浓溶液由管路进入混合段中部，该混合段中部为光滑收缩结构，使高聚物浓溶液输出；同时分支管输出的另一管路进入混合段与高聚物浓溶液进行掺混，并输出稀溶液至弯管段，经弯管段的高聚物稀溶液通过电磁阀及输出管实现输出；所述控制器分别与计量泵、电动阀、电磁流量计、电磁阀连接；其是在航行器内部携带高浓度减阻粘液，通过稀释、掺混得到低浓度减阻粘液，增加的稀释和掺混装置，同样消耗电力且占用更多的空间。中国专利202010447897.8公开的一种水力自驱动式减阻粘液稀释释放装置，包括粘液喷嘴、稀释掺混腔体、搅拌棒、释放喷嘴、进水管、电磁流量计、粘液输送管道、粘液稀释装置、水力涡轮、支撑棒和搅拌圆棒，电磁流量计安装在进水管上，稀释掺混腔体位于进水管后部，所述稀释掺混腔体为中空长方体，两端敞口，稀释掺混腔体后部与释放喷嘴连接为一体结构，释放喷嘴为渐缩段，搅拌棒位于稀释掺混腔体内通过轴承连接在稀释掺混腔体内壁上，稀释掺混腔体前端部壁面开有对称通孔，粘液喷嘴固定在稀释掺混腔体通孔内与稀释掺混腔体上通孔过盈配合，粘液喷嘴用于喷射减阻浓粘液与来流水混合稀释；所述搅拌棒为涡轮圆棒结构，水力涡轮与搅拌圆棒交错分布，在支撑棒的支撑下，带动搅拌圆棒旋转，所述搅拌棒沿稀释掺混腔体轴线横向、竖向设置，每组有搅拌棒三个，平行排列；所述释放喷嘴位于稀释掺混腔体后部水流方向下游，释放喷嘴渐缩段利于减阻粘液掺混均匀，根据流量公式q＝dv，当管径直径d渐变小时，通过的流量q不变，其流速v增加，从而产生喷射释放功能；所述释放喷嘴喷射端当量直径与稀释掺混腔体当量直径之比为1:3～1:2；其稀释掺混腔体利用来流水力自驱动实现均匀掺混，节省了掺混部分的电力，但仍需要内部空间安装高浓度粘液、稀释和掺混装置。

上述专利及现有技术中的水下航行器粘液减阻装置，均需要在内部安装黏液储存、释放控制等部件，一方面占用内部空间，另一方面需要电源驱动，在占用本就有限的内部空间的同时，增加了自身重量，额外消耗了本就珍贵的电池电力，影响了更大航程的实现。因此，研发设计一种不占内部空间，不额外消耗电力的粘液减阻材料是当前急需解决的技术问题。

发明内容：

本发明的目的是研发设计一种可储存和释放粘液的表面减阻结构材料，通过特定结构尺寸和排列的表面有沟槽、内部为中空腔体的结构协同减阻，为水下航行器提供能够快速航行的壳体表面材料。

为了实现上述目的，本发明涉及的表面减阻结构材料为由若干个减阻单元以间距为0.1-5mm组成一排，若干排减阻单元以间距为0.1-5mm组成的阵列式结构材料，减阻单元的材质包括光固化树脂和热熔树脂，其主体结构包括固定在基材上的支柱端和与支柱端连接的倾斜结构的悬空端，支柱端的迎水面上开设有若干个支柱端通孔，悬空端的斜面上开设有若干组互相平行的悬空端通孔，相邻两组悬空端通孔之间开设有U型槽，支柱端与悬空端的内部连通为整体式中空腔体。

本发明涉及的支柱端与基材的交接面为1L×2L的矩形，其中，L为短边的单位长度，取值为0.1-5mm，矩形长边的长度为2L；支柱端与悬空端之间的夹角为θ，取值为π/2-3π/4，支柱端通孔和悬空端通孔的直径分别为0.2-0.4L和0.1-0.3L；腔体的壁厚为0.1-0.2L；U型槽的宽度为0.4L，长度为3-4.2L，深度为0.45L。

本发明涉及的表面减阻结构材料通过3D打印方法制备成板状贴在水下航行器的壳体表面或者直接打印在水下航行器的壳体表面；然后，浸没于粘液高分子聚合物中，抽真空排除腔体内的空气，使腔体中充满粘液高分子聚合物，高分子聚合物包括聚氧乙烯和聚丙烯酰胺；使用时，支柱端为迎流方向，悬空端为去流方向，表面减阻结构材料处于流体中时，流体运动产生的压力使支柱端通孔和悬空端通孔4的压强不同，从而使腔体内的粘液高分子聚合物在压力作用下向外流动，实现水流驱动的粘液高分子聚合物自释放，压力越大流动越快，粘液高分子聚合物释放越多，减阻效果越好。

本发明与现有技术相比，提供一种表面带U型槽的中空腔体结构材料，通过U型槽改变流体边界层的状态，降低近壁面湍流动能和湍流度，实现结构减阻，中空腔体内填充的粘液，在流体压力作用下被释放出来，沿U型槽结构分布，与流向相同，改变了局部粘流环境和滑移速度，降低了摩擦作用，抑制了湍流脉动，实现粘液减阻，应用于水下航行器表面，无需额外的内部装置，不占用内部空间，无需泵体，不会额外增加动力负担，同时利用粘液和结构的双重减阻效应，具有更高的减阻效率；其结构简单，通过表面沟槽结构减阻和粘液减阻的协同减阻作用，大幅降低流体阻力，使水下航行器航行阻力减小、能耗降低，航程提高，续航能力提升，具有潜在的应用前景。

附图说明：

图1为本发明的主体结构示意图。

图2为本发明涉及的减阻单元的结构示意图。

图3为本发明涉及的减阻单元的侧视图。

图4为本发明涉及的减阻单元的俯视图。

图5为本发明涉及的减阻单元的局部剖视图。

图6为本发明涉及的减阻单元的3D结构图。

图7为本发明涉及的减阻单元的3D结构透视图。

具体实施方式：

下面通过实施实例并结合附图对本发明做进一步描述。

实施例1：

本实施例涉及的表面减阻结构材料由若干个近似“丘”型鳞片状翘起结构的减阻单元阵列式排布构成，减阻单元主体结构包括固定在基材上的支柱端1和与支柱端1连接的倾斜结构的悬空端2，支柱端1的迎水面上开设有三个圆形结构的支柱端通孔3，悬空端2的斜面上开设有三组互相平行的悬空端通孔4，每组悬空端通孔4的数量为4，相邻两组悬空端通孔4之间开设有U型槽5，支柱端1与悬空端2的内部连通为无分割的整体式中空腔体；支柱端1与基材的交接面为2×4mm的矩形，支柱端1与悬空端2之间的夹角θ为116°，支柱端通孔3和悬空端通孔4使腔体与外界连通，直径分别为0.6mm和0.3mm，腔体的壁厚为0.4mm，U型槽5的宽度为0.8mm，长度为6.72mm，深度为0.9mm.

本实施例涉及的表面减阻结构材料由若干个减阻单元以间距为2mm组成一排，若干排减阻单元再以间距为2mm顺向覆瓦式阵列组成，前后排的U型槽5对齐。

实施例2：

本实施例涉及的表面减阻结构材料由光固化树脂通过3D打印方法打印制作，打印好的表面减阻结构材料浸没于聚丙烯酰胺粘液高分子聚合物中，利用真空干燥机抽真空，排除腔体内的空气，使腔体内充满聚丙烯酰胺粘液高分子聚合物；安装时，使支柱端1为迎流方向，悬空端2为去流方向；表面减阻结构材料处于运动的流体中时，腔体内的聚丙烯酰胺粘液高分子聚合物受压力作用向外流动，通过水流驱动的聚丙烯酰胺粘液高分子聚合物自释放，实现减阻单元的结构和聚丙烯酰胺粘液高分子聚合物的协同减阻。

Claims (9)

1.一种表面减阻结构材料，为由若干个减阻单元组成一排，若干排减阻单元组成的阵列式结构材料，其特征在于，主体结构包括固定在基材上的支柱端和与支柱端连接的倾斜结构的悬空端，悬空端上开设有U型槽，支柱端与悬空端的内部连通为整体式中空腔体。

2.根据权利要求1所述的表面减阻结构材料，其特征在于，减阻单元的材质包括光固化树脂和热熔树脂。

3.根据权利要求1所述的表面减阻结构材料，其特征在于，以间距为0.1-5mm。

4.根据权利要求1所述的表面减阻结构材料，其特征在于，支柱端的迎水面上开设有若干个支柱端通孔。

5.根据权利要求2所述的表面减阻结构材料，其特征在于，悬空端的斜面上开设有若干组互相平行的悬空端通孔，U型槽开设于相邻两组悬空端通孔之间。

6.根据权利要求2所述的表面减阻结构材料，其特征在于，支柱端与基材的交接面为1L×2L的矩形，L为0.1-5mm；支柱端与悬空端之间的夹角θ为π/2-3π/4；支柱端通孔和悬空端通孔的直径分别为0.2-0.4L和0.1-0.3L；腔体的壁厚为0.1-0.2L；U型槽的宽度为0.4L，长度为3-4.2L，深度为0.45L。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的表面减阻结构材料，其特征在于，通过3D打印方法制备成板状贴在水下航行器的壳体表面或者直接打印在水下航行器的壳体表面，然后，浸没于粘液高分子聚合物中，抽真空排除腔体内的空气，使腔体中充满粘液高分子聚合物。

8.根据权利要求7所述的表面减阻结构材料，其特征在于，高分子聚合物包括聚氧乙烯和聚丙烯酰胺。

9.根据权利要求7所述的表面减阻结构材料，其特征在于，处于流体中时，流体运动产生的压力使支柱端通孔和悬空端通孔的压强不同，使腔体内的粘液高分子聚合物在压力作用下向外流动，通过水流驱动粘液高分子聚合物释放。

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