基于多孔超疏水材料通气的气膜层减阻装置、方法及船舶

本发明属于气膜减阻，具体涉及一种基于多孔超疏水材料通气的气膜层减阻装置、方法及船舶。

背景技术：

1、以船舶为主的水路运输是长距离运输的主要方式，一直以来，船舶以提高推进效率和节约能源作为主要目标，船舶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，从而导致船舶的耗油量增加。减小摩擦阻力是船舶提速增程、降低能耗的主要方法，目前主要的减阻方法有：柔性壁面、微气泡、沟槽表面和疏水表面等。

2、利用超疏水表面配合人工通气方法能有效降低船体表面与水的接触面积，将无滑移壁面代替部分滑移壁面，进而产生显著的减阻效果，然而实现有效减阻的重要前提是超疏水表面气膜形态的维持。目前利用化学反应产气的技术有，采用硫酸铝和碳酸氢钠反应产生二氧化碳气体通过微孔，在超疏水材料的作用下在船底形成一层稳定的气膜，由于受到硫酸铝和碳酸氢钠反应物量的限制，当反应物完全反应，通气停止，因此只适用于航程相对较短且航速较快的船舶，不利于稳定长效的减阻，具有一定的局限性。现有技术还公开了采用船舶顺流喷射气层减阻生成装置，在船舶底部设置一系列串联气穴，使气体沿着船舶行进的相反方向，驻留在气穴中，有效降低船舶底面摩擦阻力，未考虑船体侧面曲面，在船体底部开通通气孔或者通气缝，对船体结构造成破坏，这样大大降低了船体表面的完整性和船底的强度。船底长期和海水接触，通气孔或通气缝会导致涂料不能完整覆盖船底，很容易发生腐蚀造成堵塞。

3、目前，现有船舶水下气膜减阻装置大多应用于船底，对于在船体侧面曲面上的通气减阻研究较少。另外，在水压的影响下，气体难以对整个船体实现均匀通气。为此需要设计一种基于多孔超疏水材料通气的船舶水下减阻装置，并能实现对喷射速率进行调控的控制方法，维持船体表面气膜层稳定。

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，本发明提供一种基于多孔超疏水材料通气的气膜层减阻装置、方法及船舶，通过在多孔超疏水不锈钢板内置带有喷气孔的通气管道来增大内部气压，使得内部气压远大于船体侧面上下的海水压差，此时可以忽略船体外部上下海水压差带来的影响，从而实现船体侧面上下和船底的均匀通气。本发明解决了现有技术中由于外部水压影响难以对整个船体实现均匀通气的问题；同时实现了对喷射速率的调控。

3、本发明的技术方案是：一种基于多孔超疏水材料通气的气膜层减阻装置，包括减阻组件、供气模块、数据采集模块及控制模块，

4、所述减阻组件贴合于待减阻表面，包括多孔超疏水板及位于其下游的非多孔材料超疏水板；所述多孔超疏水板内置带有若干喷气孔的通气管道，通气管道的进气口与供气模块连通，气体经通气管道从喷气孔喷出，再经多孔超疏水板的微小气孔输出至其外壁面，流经下游非多孔材料超疏水板形成稳定气膜层；

5、所述数据采集模块将采集数据传输至控制模块，控制模块根据各数据判断气膜是否满足要求，如不满足则调节对应供气量。

6、本发明的进一步技术方案是：所述多孔超疏水板的制备方法为，将金属粉末不经压制而松散地装于模具内，将带有若干喷气孔的通气管道埋于金属粉末中，采用松装粉末烧结法直接进行烧结，依靠烧结过程中粉末颗粒之间的毛细作用和表面张力来相互黏结，得到多孔超疏水板。

7、本发明的进一步技术方案是：所述多孔超疏水板为多孔超疏水不锈钢板，其内包括首尾相接的多个等间距管道，构成s形通气管道；所述通气管道的喷气孔位于多孔超疏水不锈钢板内、并朝向其外壁面。

8、本发明的进一步技术方案是：所述多孔超疏水不锈钢板是由多孔透气不锈钢板进行超疏水处理后得到，具体方法为：

9、利用预磨机对多孔不锈钢板进行预磨，激光打标机在多孔透气不锈钢板表面进行激光微结构加工；

10、将硅酸锌防锈漆与烷基硅酸酯组固化剂以重量比4:1的比例混合均匀，再将调配好的防锈漆用丙酮进行稀释，之后用喷枪均匀喷涂在多孔透气不锈钢板表面；

11、配置环氧树脂溶液、纳米sio2分散液和低表面能溶液；

12、将环氧树脂溶液均匀涂抹在多孔透气不锈钢表面，室温风干，然后浸入纳米sio2分散液，表面干燥后浸入低表面能溶液，进行低表面能修饰处理，达到超疏水效果。

13、本发明的进一步技术方案是：所述非多孔材料超疏水板是将非多孔材料进行超疏水处理后得到，即在非多孔材料表面喷涂超疏水涂层达到超疏水的效果。

14、本发明的进一步技术方案是：所述多孔超疏水板和非多孔材料超疏水板的外壁面上均开有等间距沟槽结构，且两者的沟槽顺序连接；且多孔超疏水板的通气管道上的气孔与沟槽相对。

15、本发明的进一步技术方案是：所述数据采集模块包括连接于供气模块与多孔超疏水板进气口之间的气体质量流量计，位于待减阻表面的气层厚度测量仪、压力传感器和摩擦力传感器；所述气体质量流量计能够测量和控制气体流量。

16、一种基于多孔超疏水材料通气的气膜层减阻装置的控制方法，具体步骤如下：

17、通过数据采集模块获取供气模块输出的气体流量，待减阻表面的气层厚度、压力及摩擦力；

18、所述控制模块接收到数据采集模块传输的数据后，做出分析判断，并根据结果下达气体流量控制的指令至气体质量流量计；

19、由所述气体质量流量计执行气体流量控制指令，完成闭环控制。

20、一种船舶，包括从船首沿船舶长度方向等间距设置的若干基于多孔超疏水材料通气的气膜层减阻装置，所述气膜层减阻装置的多孔超疏水板贴合于船体底面和侧面，其下游的非多孔材料超疏水板即为在船体外表面喷涂超疏水涂层得到。

21、本发明的进一步技术方案是：所述气膜层减阻装置的供气模块为设置于船内的空气压缩机。

22、有益效果

23、本发明的有益效果在于：

24、1、本发明结构设计合理，船舶水下气膜减阻装置的气体从多孔壁面向外渗透出气体，渗透出的气体不仅会引起近壁面附近流场密度和黏度的改变，还会引起壁面附近湍流结构改变，从而减小摩擦阻力。船体表面被超疏水涂层大面积覆盖，不仅可以有效的减少船体自身身上海洋生物的附着不锈钢板，而且不破坏船底防腐涂层完整性，减缓腐蚀速度，延长船体和通气结构的使用寿命。

25、2、多孔透气不锈钢板由于它特殊的孔隙结构，使之具备一些通常金属材料不具备的特殊性能，如透气性、散热性、高强度和耐腐蚀性能等。它具有的空隙结构使得制作的零件具有轻量化、吸振性等能力，运用到气膜减阻方面也表现出优良的效果。

26、3、多孔透气材料内部压强足够大，足以克服船体侧面上下海水压差的影响。在船体设置减阻组件，形成多个串联并行的稳定气膜，减阻组件之间互不干涉，保证了装置的独立性。

技术特征：

1.一种基于多孔超疏水材料通气的气膜层减阻装置，其特征在于：包括减阻组件、供气模块、数据采集模块及控制模块，

2.根据权利要求1所述一种基于多孔超疏水材料通气的气膜层减阻装置，其特征在于：所述多孔超疏水板的制备方法为，将金属粉末不经压制而松散地装于模具内，将带有若干喷气孔的通气管道埋于金属粉末中，采用松装粉末烧结法直接进行烧结，依靠烧结过程中粉末颗粒之间的毛细作用和表面张力来相互黏结，得到多孔超疏水板。

3.根据权利要求2所述一种基于多孔超疏水材料通气的气膜层减阻装置，其特征在于：所述多孔超疏水板为多孔超疏水不锈钢板，其内包括首尾相接的多个等间距管道，构成s形通气管道；所述通气管道的喷气孔位于多孔超疏水不锈钢板内、并朝向其外壁面。

4.根据权利要求3所述一种基于多孔超疏水材料通气的气膜层减阻装置，其特征在于：所述多孔超疏水不锈钢板是由多孔透气不锈钢板进行超疏水处理后得到，具体方法为：

5.根据权利要求1所述一种基于多孔超疏水材料通气的气膜层减阻装置，其特征在于：所述非多孔材料超疏水板是将非多孔材料进行超疏水处理后得到，即在非多孔材料表面喷涂超疏水涂层达到超疏水的效果。

6.根据权利要求1所述一种基于多孔超疏水材料通气的气膜层减阻装置，其特征在于：所述多孔超疏水板和非多孔材料超疏水板的外壁面上均开有等间距沟槽结构，且两者的沟槽顺序连接；且多孔超疏水板的通气管道上的气孔与沟槽相对。

7.根据权利要求1所述一种基于多孔超疏水材料通气的气膜层减阻装置，其特征在于：所述数据采集模块包括连接于供气模块与多孔超疏水板进气口之间的气体质量流量计，位于待减阻表面的气层厚度测量仪、压力传感器和摩擦力传感器；所述气体质量流量计能够测量和控制气体流量。

8.一种权利要求1-7任一项所述基于多孔超疏水材料通气的气膜层减阻装置的控制方法，其特征在于具体步骤如下：

9.一种船舶，其特征在于：包括从船首沿船舶长度方向等间距设置的若干权利要求1-7任一项所述基于多孔超疏水材料通气的气膜层减阻装置，所述气膜层减阻装置的多孔超疏水板贴合于船体底面和侧面，其下游的非多孔材料超疏水板即为在船体外表面喷涂超疏水涂层得到。

10.根据权利要求9所述一种船舶，其特征在于：所述气膜层减阻装置的供气模块为设置于船内的空气压缩机。

技术总结本发明一种基于多孔超疏水材料通气的气膜层减阻装置、方法及船舶，属于气膜减阻技术领域；装置包括减阻组件、供气模块、数据采集模块及控制模块，减阻组件包括多孔超疏水板及位于其下游的非多孔材料超疏水板；所述多孔超疏水板内置带有若干喷气孔的通气管道，通气管道的进气口与供气模块连通，气体经通气管道从喷气孔喷出，再经多孔超疏水板的微小气孔输出至其外壁面，流经下游非多孔材料超疏水板形成稳定气膜层；数据采集模块将采集数据传输至控制模块，控制模块根据各数据判断气膜是否满足要求，如不满足则调节对应供气量。本发明解决了现有技术中由于外部水压影响难以对整个船体实现均匀通气的问题；同时实现了对喷射速率的调控。技术研发人员：文俊,张倩,胡海豹,谢络,张梦卓,黄潇,杜鹏,陈效鹏受保护的技术使用者：西北工业大学技术研发日：技术公布日：2024/5/8