[发明专利]一种通用的圆柱表面空泡气膜形成、调控及减阻方法

说明书

本发明提供一种通用的，在不同浸润性圆柱体表面形成入水空泡，进一步调控水下气泡的形态，最终实现水下减阻的方法；将仿生技术与气膜减阻技术相结合，有效地提高水下减阻效率，制作成本和维护成本相对低廉；采用的原料均无毒无放射作用，不会对环境产生不良作用。

技术领域

本发明涉及水下航行器高速低耗技术领域，尤其涉及一种空泡气膜形成，调控及减阻的方法。

背景技术

航行速度，能耗效率与续航能力是水下航行器重要的技术指标，提高这些技术指标的主要限制因素是航行器在水下航行时面临的巨大的流动阻力。有研究表明，物体在水中航行时的阻力要比在空气中大接近1000倍，其主要原因是水的动力学粘度比空气高两个数量级，密度比空气高三个数量级。因此，通过在航行器表面引入一层气体润滑层，使得气液界面取代固液界面可以有效地降低水下航行器的阻力，提高航行器的速度和能耗效率。

目前，在固体表面引入气体润滑层的方法可以分为以下两类：第一类是主动生成气膜法，主要包括高速自然超空泡法，微气泡注入法，高温界面Leidenfrost法和电解法。主动生成气膜法可以达到非常高的减阻效率，以自然超空泡和Leidenfrost法为例，由于航行器的表面完全被气膜所包围，其减阻效率可以达到90％。但是由于气膜生成的条件一般比较苛刻，因此主动生成气膜法的能耗也非常高，同时，气膜以及微气泡的破裂也会对航行器的表面造成损伤。另一类是被动气膜维持法，主要包括在航行器表面引入超疏水(superhydrophobic)或者超疏液(superomniphobic)的表面的方法。超疏水表面的低表面能物质可以阻止水向微纳结构中的浸润，从而在水下维持住一层气膜。然而，超疏水表面较差的机械性能和较高的制造成本限制了超疏水表面的大规模应用。因此，开发一种高效率、低能耗并且不依赖于超疏水表面的通用固体表面气膜生成和维持技术是非常有必要的。

自然界中，很多生物都有操控和稳定气液界面的能力。水黾是一种生活在水面上的小型昆虫，可以在水面上行走和漂浮而不发生沉没。这种水上行走的能力源于水黾腿的超疏水特性，密集排列的疏水刚毛使得水无法浸润从而稳定气液界面。同时，稳定的气液界面在超疏水腿的作用下发生弯折，表面张力的合力为水黾提供足够的支持力。然而，对于一些大型的生物而言，仅仅依靠表面张力的作用是无法稳定气液界面从而实现水上行走的。主要原因是表面张力正比于面积，也就是特征长度的平方，而重力则正比于体积，是特征长度的三次方。因此，生物体的特征长度越大，重力的影响也就越大。在中南美洲的热带雨林里，一种名为“蛇怪蜥蜴”的小型爬行动物可以在水面上高速奔跑。这种蜥蜴的体重约为90g，仅靠爪子或者四肢的表面张力根本无法平衡重力。这种蜥蜴采取了另一种策略来实现水上行走，通过不断地用爪子敲击水面从而形成并稳定入水空泡，依靠入水空泡周围液体的流体压力来平衡身体的重力。为了尽可能的提供足够大的支撑力，蛇怪蜥蜴在进化过程中优化了爪子的形状以及入水的姿势，从而尽可能的稳定气液界面而不发生破裂。目前现有的技术在低速、不依靠加热等外界条件作用下，只能依靠超疏水涂层的方法在固体表面束缚气膜，疏水、亲水和超亲水的表面无法束缚气膜。结合生物体水上行走机理，可以研发一种除了界面疏水化的方法以外，在“不同浸润性表面”通过设计航行器特定的几何结构以及跨介质入水等方法来帮助气液界面的形成和稳定，从而有利于水下减阻的方法。

发明内容

本发明中，我们将仿生制备的圆柱体与受蜥蜴启发的跨介质入水的入水空泡产生策略相结合，有效地调控入水空泡及水下空泡的形态，提高水下减阻效率。本发明解决了目前技术的不足，可以使得气膜不仅在超疏水表面上形成，而且能在“非超疏水表面”表面上形成，即在不同浸润性表面上形成(包括超亲水、亲水、疏水和超疏水)，从而解决现有水下减阻技术中能耗高、对航行器表面有损伤、和维护成本高等问题，该方法能耗低，不需要外界加热、电解等条件，可以在较低的速度条件下在不同浸润性的表面维持气膜，制作成本和维护成本相对低廉，采用的原料均无毒无放射作用，不会对环境产生不良作用。为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：