[发明专利]一种具有润湿阶跃效应的气膜减阻模型及其制备方法

说明书

本发明公开一种具有润湿阶跃效应的气膜减阻模型及其制备方法，包括模型试样，模型试样由多块亲水区域和疏水区域组成，并且每个亲水区域和每个疏水区域呈相间排布，亲水区域形状为凹坑,每个所述亲水区域的静态接触角小于90°，每个所述疏水区域的静态接触角大于150°。通过在模型表面构建亲疏水相间的网格结构，能在壁面产生润湿阶跃效应，产生约束液‑气‑固三相接触线移动的束缚力；本方案采用激光烧蚀的方法在试样表面构建规则微结构特征形貌，辅助以低表面能物质硬脂酸修饰降低表面自由能，构筑亲疏水相间的超疏水表面以达到减阻效果。与现有技术方案相比，本发明操作简单易行，加工效率高、成本低，对环境无危害等优点。

技术领域

本发明属于水下减阻技术领域，具体涉及一种具有润湿阶跃效应的气膜减阻模型及其制备方法。

背景技术

微波随着海洋开发和海防形势的变化，我国对海洋的探索和开发不断由近海向远海、深海延伸，而对深海的探索研究多数依靠水下航行器完成，减少航行体阻力降低单位航程内航行器的能源消耗，增加航行器航程和有效工作时间具有重要的现实意义。此外，海运由于其低廉的航运成本，具有无可比拟的成本优势，成为全球货物运输的主要方式，随着石油资源的枯竭以及全球气候变暖的加剧也对有效降低船舶航行阻力，减少能源消耗提出了更高的要求。

受自然界疏水现象启发。越来越多国内外学者开始关注仿生疏水材料在水下减阻方面的潜在应用。随着科学技术的发展，制备超疏水表面的方法也越来越多样，技术也愈加成熟，使得研究超疏水表面减阻有着十分现实的意义。众多学者证实超疏水表面能够减阻源于超疏水表面微结构上产生一层气膜，使得原来的部分固液界面接触变为气液界面接触，原有的无滑移壁面被部分滑移壁面替代。超疏水表面在水下的减阻效果与微结构尺寸、气膜厚度，气膜尺寸等相关。通过提高封存气膜的面积和厚度将能够有效提升超疏水表面水下减阻效果。实验发现，在来流速度较低时，水下超疏水表面气膜完整，具有良好的减阻效果。但由于超疏水表面的气膜会在来流的剪切作用下不断消失，并且随着来流速度的增加和时间的累计，超疏水表面的气膜完全消失，减阻也随之消失，可能会因为表面微结构较高的粗糙度增大出现粗糙增阻的现象；与此同时，随气膜尺寸增大, 其封存难度也随之提高。因此,如何在超疏水表面存留稳定的气膜成为研究超疏水表面水下减阻的关键。

现有技术中通过在超疏水微结构内部布置电解电极，以电解水的方法实现超疏水表面气膜在水流冲刷作用下的动态补充，但成本昂贵，结构复杂，能耗较高，实际应用的难度很大。或者也有技术中使用涂层构筑超疏水表面，利用润湿性调控在固体表面构建亲疏水相间的区域，实现水下固体表面的气膜封存，但是涂层含有毒物质，耐久性不足，容易丧失减阻效果，且价格昂贵，不适合大规模使用。为了针对上述缺陷，本发明研制出一种能够解决上述问题的技术方案是亟需必要的。

发明内容

本方案为避免现有技术存在的缺陷，克服现有技术适用流速小、设备复杂、价格昂贵、耐久性不好、能耗高等难题。提供一种绿色、高效、操作简单的亲疏水相间超疏水表面及构建方法，本发明根据亲疏水交界处接触角滞后特性，可以实现气膜在表面微结构内部的稳定驻留,提出一种基于激光烧蚀的制备方法和气膜减阻模型。

本发明所采用的技术方案是：一种具有润湿阶跃效应的气膜减阻模型，包括模型试样，模型试样由多块亲水区域和疏水区域组成，并且每个亲水区域和每个疏水区域呈相间排布，亲水区域形状为凹坑,每个所述亲水区域的静态接触角小于90°，每个所述疏水区域的静态接触角大于150°。

一种具有润湿阶跃效应的气膜减阻模型的制备方法，包括如下步骤：

步骤一、预处理：试样规格尺寸为50 mm×50 mm×5 mm，依次采用400#-2000#金相砂纸，在金相试样预磨机盘上打磨模型试样表面，至表面无明显划痕；在金相试样抛光机上将模型试样抛光至表面无划痕；将模型试样分别依次用丙酮、乙醇、去离子水超声波清洗清洗10-15min，并在温度为105~110℃的干燥箱中干燥15-20min；