【摘 要】
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在当前能源紧缺的时代,如何减少海洋中航行器的航行阻力,降低能源消耗,已成为各国的研究重点。减阻技术作为实现节能减排的重要技术手段,是非常具有竞争力的一项科学研究。研究表明水下超疏水表面会在壁面封存一层气膜,产生流动滑移,是一种比较高效的减阻方法。然而在水流速度较高时会产生很大的水平剪切力使气膜破坏,气膜破坏后滑移效应消失造成减阻失效,甚至会增加流动阻力。本文针对该类减阻失效问题,基于激光和线切割加
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在当前能源紧缺的时代,如何减少海洋中航行器的航行阻力,降低能源消耗,已成为各国的研究重点。减阻技术作为实现节能减排的重要技术手段,是非常具有竞争力的一项科学研究。研究表明水下超疏水表面会在壁面封存一层气膜,产生流动滑移,是一种比较高效的减阻方法。然而在水流速度较高时会产生很大的水平剪切力使气膜破坏,气膜破坏后滑移效应消失造成减阻失效,甚至会增加流动阻力。本文针对该类减阻失效问题,基于激光和线切割加工相结合的方法,在铝合金表面构造亲疏水相间结构以维持水下气膜的稳定,具体研究内容如下:1)为了能高效率、大面积在铝合金表面制备润湿性不同的表面,使用线切割加工铝合金后直接在表面进行激光划线,通过激光调控铝合金表面微结构。激光加工后将样件分A、B组作两种后续处理,A组在激光加工后放空气中观察表面润湿性随时间的变化,B组在激光加工后进行低表面能处理。2)使用扫描电子显微镜、接触角测量仪等设备对样件表面性能进行表征,包括表面微观形貌,表面物质含量变化,表面润湿性随时间变化以及样件表面静态接触角变化。试验发现激光扫描后会在铝合金表面生成规则与不规则形貌相结合的微纳米结构,经低表面能处理后,水滴在各样件表面均能呈现出超疏水状态,最大静态接触角达162.3°,而未进行低表面能处理的样件,在空气中表面静态接触角也会随时间不断增大,最后趋于稳定,最大接触角达154.6°。3)基于Comsol中的流体计算模块,在二维模型条件下通过设置滑移壁的方式对亲疏水相间模型在不同雷诺数下的流场特性进行数值模拟。结果表明气泡的存在会明显提高近壁面流速,但气泡的凸起会在亲疏水交界处产生涡流,气泡越多产生的涡流数越多,同时气泡大小、厚度不同都会对流场域产生影响。4)基于压差法搭建减阻试验台,探究各样件在不同雷诺数下的减阻效果。试验发现样件减阻率随雷诺数的增加先增大后减小最后趋于稳定,在减阻率稳定时依然高于全超疏水铝合金板,表明亲疏水相间样件疏水段表面依然存在很薄的空气膜产生速度滑移,亲疏水相间样件在减阻槽道内的最高减阻率达45.45%。
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