一种回转体航行器气膜层减阻装置、制备方法及应用

本发明属于减阻，具体涉及一种回转体航行器气膜层减阻装置、制备方法及应用。

背景技术：

1、水下航行器在航行过程中会受到以摩擦阻力和压差阻力为代表的流动阻力，由于水下航行器通常为大长细比的回转体结构，其表面与流体直接接触产生摩擦阻力占到总阻力的80％以上，因此减小表面摩擦阻力是水下航行器提速增程、节能减排的重要手段。

2、超疏水表面减阻技术由于其独特的微/纳界面效应，超疏水表面能够在水下吸附一层气膜，在近壁面呈现多相流、边界滑移、降低避免附近的湍动能从而减小壁面摩阻等特点。超疏水表面气膜形态的维持是实现有效减阻的前提，然而，超疏水表面的气膜在水压、压力波动和流体剪切作用下会发生破坏，从而失去减阻作用，为此需要提高超疏水表面的稳定性。

3、现有研究已经证实，利用超疏水表面配合人工通气方法能有效降低航行器表面与水的接触面积，将无滑移壁面被部分滑移壁面代替，进而产生显著的减阻效果，向超疏水表面人工通气的方法多为微孔阵列或狭缝通气，微孔大小难以保持一致，另外在水压的影响下，较小的通气量，气体难以对整个平面均匀通气。

4、通气减阻大多针对平板和船模，从平板实验研究来看，通气减阻技术的减阻潜力很大，较少涉及回转体，相比于平板和船模，回转体具有更加实用的外形。针对回转体表面，现存的通气减阻技术依然存在一定的不足之处，通气减阻特性受气泡流形态影响大，在来流速度较低时，气泡在浮力作用下极易上漂而脱离边界层，从而起不到减阻效果，使其不适用于水下回转体航行器表面。为此需要设计一种多孔超疏水材料渗透率梯度的回转体航行器水下通气气膜层减阻装置，以实现多孔材料均匀通气，维持回转体表面气膜层稳定。

技术实现思路

1、要解决的技术问题：

2、为了避免现有技术的不足之处，本发明提供一种回转体航行器气膜层减阻装置、制备方法及应用，所述气膜层减阻装置以平板两侧压差随厚度变化的经验公式为基础设计的偏心圆环，偏心圆环加工完成后，利用电化学腐蚀方法对偏心圆环内外两侧进行超疏水处理，得到的多孔超疏水通气圆环适用于回转体表面的通气减阻，减阻持续时间长，减阻效果好。

3、本发明的技术方案是：一种回转体航行器气膜层减阻装置，包括偏心通气圆环，所述偏心通气圆环由多孔材质的偏心圆环和超疏水处理表面构成；

4、所述圆环的径向设计厚度为：

5、

6、其中，pmax为偏心圆环放置水中的最大静水压差，r为圆环外径，具体数值以回转体航行器形状而定，ρ为航行体所处流体的密度，θ为圆环圆周上一点与圆心的连线和垂线之间的夹角，k为公式系数。

7、本发明的进一步技术方案是：所述超疏水处理采用电化学腐蚀方法。

8、一种回转体航行器气膜层减阻装置的制备方法，具体步骤如下：

9、根据多孔超疏水平板通气实验，得到平板两侧压差随平板厚度变化的曲线图及压差随平板厚度变化的公式；

10、计算偏心通气圆环的径向厚度；

11、计算偏心通气圆环的内环曲率半径；

12、基于上述计算所得偏心通气圆环设计参数，对多孔偏心圆环进行加工；

13、对加工完成的多孔偏心圆环进行超疏水处理，得到偏心通气圆环。

14、本发明的进一步技术方案是：所述多孔超疏水平板通气实验的实验装置包括：对称设置的左通气模块和右通气模块、气体质量流量指示计、压差测量仪、气泵；

15、所述左通气模块为一端开口且中空的长方体结构，其封闭端通过气动接头、气动软管与气泵连接，并在气动软管上安装气体质量流量计；其侧壁上安装有压差测量计，用于测量内腔体的气压；

16、所述右通气模块为一端开口且中空的长方体结构，其开口处设置有安装待测多孔超疏水平板的凹槽结构；其侧壁上安装有压差测量计，用于测量内腔体的气压；

17、所述左通气模块和右通气模块的开口端相对放置，将待测多孔超疏水平板放入凹槽后夹紧密封。

18、本发明的进一步技术方案是：所述多孔超疏水平板通气实验的具体步骤如下：

19、根据实验要求选定相同孔隙率、不同厚度的多块多孔超疏水平板；

20、将一块待测多孔超疏水平板夹紧密封安装于左通气模块和右通气模块之间；

21、选取在量程范围内的气体质量流量指示计、压差测量仪、气泵与左/右通气模块连接；

22、将实验装置通电后，控制气体流量值，观察压差测量计的示数，并记录数据；

23、测试完成后，关闭气泵和电源，更换下一种厚度的多孔超疏水平板，依次循环，直至完成所有选定厚度的测量实验。

24、本发明的进一步技术方案是：所述平板两侧压差计算公式如下：

25、δp＝kδ

26、其中，δp表示平板两侧压差，k为公式系数，δ为平板厚度。

27、本发明的进一步技术方案是：所述偏心通气圆环的径向设计厚度计算公式如下：

28、

29、其中，pmax为偏心圆环放置水中的最大静水压差，r为圆环外径，具体数值以回转体航行器形状而定，ρ为航行体所处流体的密度，θ为圆环圆周上一点与圆心连线和垂线之间的夹角，k为公式系数。

30、本发明的进一步技术方案是：所述偏心通气圆环的内环曲率半径计算公式如下：

31、ri＝r-δ-γ

32、其中，γ为偏心通气圆环的基础厚度。

33、本发明的进一步技术方案是：所述超疏水处理的具体步骤如下：

34、配置0.1mol/l的nacl电解质溶液，以石墨环作为阴极，以偏心通气圆环作为阳极，将直流稳压电源的电压调节至15v，对偏心通气圆环进行电化学微刻蚀，刻蚀时长为15min；

35、电解液由300ml乙二醇、1.5gnh4f和6ml去离子水配制而成，以石墨环作为阴极，以偏心通气圆环作为阳极，直流稳压电源的电压调节至60v，对偏心通气圆环进行阳极氧化处理，阳极氧化的时间为3小时。

36、一种回转体航行器，包括航行体头部、气膜层减阻装置、航行体中段及安装于中段内部的通气系统，所述气膜层减阻装置嵌套并固定于喷嘴安装座和头部连接段之间；

37、所述通气系统包括气瓶、压力计、流量控制器，气瓶通过气动软管与喷嘴连通，将气体输送至气膜层减阻装置的偏心通气圆环，经偏心通气圆环内的微小气孔输出至航行器环形表面；

38、根据来流速度调整通气速率，维持偏心通气圆环表面气膜层的稳定，实现气体的均匀通气。

39、有益效果

40、本发明的有益效果在于：本发明和现有装置及相应技术相比，具有以下特点：

41、1.本发明提出的一种基于多孔超疏水材料渗透率梯度的回转体航行器水下通气气膜层减阻装置，属于一种适于水下航行体的圆环形可调喷射装置及控制方法减阻技术领域，其中，多孔超疏水通气圆环适用于回转体表面的通气减阻，减阻持续时间长，减阻效果好。

42、2.多孔超疏水通气圆环放置水中，表面会形成一层薄薄的气膜，通气后由于气体受到浮力的影响，造成通气不均匀的现象，设计后的偏心圆环能够实现均匀通气。由于多孔材料疏松多孔的性质，内部彼此贯通的微孔可以为气体提供充足的通气点，减少了表面张力的作用，在设计偏心圆环时不用考虑表面张力的影响。

43、3.本发明航行器气膜层通气调控喷射速率的控制装置位于航行体中部，由气瓶、压力计、流量控制器、气动软管组成，观测在不同来流下，多孔圆环表面气膜层的形态，动态调整气瓶通气速率，维持多孔圆环表面气膜层的稳定以及实现气体的均匀通气。