本發(fā)明屬表面減阻技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種三明治結(jié)構(gòu)的智能水凝膠材料減阻表面。

背景技術(shù)：

表面摩擦阻力是水面艦艇、潛艇及魚雷等的主要能耗來源。由于水黏性引起的水面艦艇的摩擦阻力占總阻力比率大于50％，水下航行器的表面摩擦阻力均占總阻力的80％以上。可見，減小由水的黏性引起的表面摩擦阻力是當(dāng)今科學(xué)研究的一個重要課題，在理論及實際應(yīng)用方面均有十分重要的意義。

探求減阻新方法、開發(fā)減阻新技術(shù)一直是各國政府優(yōu)先發(fā)展的領(lǐng)域，近年來各種減阻方法不斷涌現(xiàn)，其中通過控制湍流邊界層的擬序結(jié)構(gòu)實現(xiàn)減阻的方法，因其方便、環(huán)保、高效等優(yōu)點，受到學(xué)術(shù)界及軍工部門的廣泛關(guān)注。按有無能量的輸入，流動控制分為主動控制和被動控制，主動控制方法需要能量輸入，可以根據(jù)流場特性智能調(diào)控壁面或改變邊界層內(nèi)流體黏性，以適應(yīng)不同工況的減阻需求。被動控制方法僅通過壁面形態(tài)(如鯊魚皮表面)或者壁面材料(如彈性材料)的改變實現(xiàn)減阻，實現(xiàn)方式簡單，且只在特定的來流條件下具有良好的減阻性能，對來流條件的適應(yīng)性差。因此，尋求一種形態(tài)及尺寸可控的減阻表面，便可使水下航行體在全工況下均具有最佳的減阻性能。溫敏聚合物(溫度響應(yīng)性聚合物)智能材料的發(fā)展，使得該設(shè)想成為可能。聚(n-異丙基丙烯酰胺)(pnipam)是研究者關(guān)注最多的一類溫敏共聚物，能夠?qū)囟却碳ぎa(chǎn)生快速響應(yīng)，從而表現(xiàn)出相分離行為。但是，單一的pnipam水凝膠的機械強度較弱，尚不能直接用于邊界層的控制。因此，提高水凝膠材料的機械強度，并能保證其熱響應(yīng)特性，是根據(jù)流場特性實現(xiàn)邊界層智能控制的一種重要途徑。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種三明治結(jié)構(gòu)的智能水凝膠材料減阻表面。

本發(fā)明由paam水凝膠ⅰ1、pnipam水凝膠2、超微細加熱網(wǎng)3和paam水凝膠ⅱ4組成，其中pnipam水凝膠2凝固后其橫截面為長條形底面5和間隔三角形上面6的組合體，超微細加熱網(wǎng)3固接于pnipam水凝膠2的長條形底面5中，超微細加熱網(wǎng)3的底邊與pnipam水凝膠2中長條形底面5的底邊間距h2為5～10μm；paam水凝膠ⅰ1涂敷于pnipam水凝膠2的上表面，paam水凝膠ⅱ4涂敷于pnipam水凝膠2的下表面；超微細加熱網(wǎng)3的a端設(shè)為正極，超微細加熱網(wǎng)3的b端設(shè)為負極。

所述pnipam水凝膠2中長條形底面5的長度l為1～2mm，厚度h1為15～25μm；所述pnipam水凝膠2中間隔三角形上面6的三角形高h為20～110μm，三角形底邊長s為30～130μm，相鄰三角形間隔f為50～200μm。

所述超微細加熱網(wǎng)3的厚度h3為5～8μm。

所述paam水凝膠ⅰ1和paam水凝膠ⅱ4對pnipam水凝膠2的涂敷厚度h4為5～7μm。

上述技術(shù)方案中，通過兩薄層高強度的聚丙烯酰胺(paam)水凝膠材料包夾熱響應(yīng)材料聚(n-異丙基丙烯酰胺)(pnipam)，減阻表面的流固界面具有溝槽狀的微結(jié)構(gòu)，超微細加熱網(wǎng)3位于聚(n-異丙基丙烯酰胺)(pnipam)材料的中間位置。

所述的兩薄層高強度的聚丙烯酰胺(paam)水凝膠材料包夾熱響應(yīng)材料聚(n-異丙基丙烯酰胺)(pnipam)的方法提高水凝膠熱響應(yīng)材料的強度。

所述的減阻表面的流固界面具有溝槽狀的微結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)減阻的功能。

所述的超微細加熱網(wǎng)3兩端連接電源，可以改變熱響應(yīng)材料pnipam水凝膠2的溫度，隨著溫度的升高pnipam水凝膠2的溶脹度降低，造成容積坍塌，進而影響表面微結(jié)構(gòu)尺寸的變化，使得水下航行體適應(yīng)不同工況的減阻要求。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明可以產(chǎn)生有益效果：

(1)該減阻表面通過超微細加熱網(wǎng)對聚(n-異丙基丙烯酰胺)(pnipam水凝膠)進行升溫或降溫，影響其體積的變化，從而實現(xiàn)對流固界面微結(jié)構(gòu)尺寸的改變，使得航行體適應(yīng)不同工況的減阻要求。

(2)該表面的微結(jié)構(gòu)形態(tài)改變附面層內(nèi)湍流結(jié)構(gòu)，使得航行體表面由湍流狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閷恿鳡顟B(tài)，層流狀態(tài)的邊界層速度梯度小于湍流狀態(tài)，導(dǎo)致摩擦阻力降低，進而使航行體總阻力降低。

附圖說明

圖1為三明治結(jié)構(gòu)的智能水凝膠材料減阻表面示意圖

圖2為圖1中c所指部位的尺寸標(biāo)記放大圖

圖3為pnipam水凝膠結(jié)構(gòu)示意圖

其中：1.paam水凝膠ⅰ2.pnipam水凝膠3.超微細加熱網(wǎng)4.paam水凝膠ⅱ5.長條形底面6.間隔三角形上面

具體實施方式

本發(fā)明提出一種三明治結(jié)構(gòu)的智能水凝膠材料減阻表面，以下結(jié)合附圖和具體實施例，對本發(fā)明所述的智能水凝膠材料減阻表面進行詳細說明。

如圖1所示，三明治結(jié)構(gòu)的智能水凝膠材料減阻表面由paam水凝膠ⅰ1、pnipam水凝膠2、超微細加熱網(wǎng)3和paam水凝膠ⅱ4組成，其中pnipam水凝膠2凝固后其橫截面為長條形底面5和間隔三角形上面6的組合體，如圖3所示。超微細加熱網(wǎng)3固接于pnipam水凝膠2的長條形底面5中，超微細加熱網(wǎng)3的底邊與pnipam水凝膠2中長條形底面5的底邊間距h2為5～10μm；paam水凝膠ⅰ1涂敷于pnipam水凝膠2的上表面，paam水凝膠ⅱ4涂敷于pnipam水凝膠2的下表面；超微細加熱網(wǎng)3的a端設(shè)為正極，超微細加熱網(wǎng)3的b端設(shè)為負極。

三明治結(jié)構(gòu)的智能水凝膠材料減阻表面具有三角形狀的溝槽結(jié)構(gòu)，相鄰三角形間隔f為50～200μm，pnipam水凝膠2中長條形底面5的長度l為1～2mm，厚度h1為15～25μm，超微細加熱網(wǎng)3的厚度h3為5～8μm，目數(shù)為3000～6000，孔徑為2.5～5μm。paam水凝膠ⅰ1和paam水凝膠ⅱ4對pnipam水凝膠2的涂敷厚度h4為5～7μm。

如圖2所示，pnipam水凝膠2中間隔三角形上面6的三角形高h為20～110μm，三角形底邊長s為30～130μm。

實施例1：當(dāng)h⁺≤25，s⁺≤30時，三明治結(jié)構(gòu)的智能水凝膠材料表面具有減阻特性，pnipam水凝膠2中長條形底面5的長度l為2mm，厚度h1為25μm，超微細加熱網(wǎng)3的底邊與pnipam水凝膠2中長條形底面5的底邊間距h2為10μm，超微細加熱網(wǎng)3的厚度h3為8μm，目數(shù)為6000，孔徑為2.5μm，paam水凝膠ⅰ1和paam水凝膠ⅱ4對pnipam水凝膠2的涂敷厚度h4為7μm。設(shè)定三角形溝槽的高度值h為110μm，溝槽的寬度值s為130μm，相鄰三角形間隔f為200μm。當(dāng)航速為7.72m/s，即雷諾數(shù)為3.30×10⁷時，所述的三明治結(jié)構(gòu)的智能水凝膠材料減阻表面減阻率為8.07％。

實施例2：當(dāng)航速為14.15m/s，即雷諾數(shù)為6.06×10⁷時，通過電源將超微細加熱網(wǎng)3升溫至32℃，此時減阻表面微結(jié)構(gòu)尺寸為：pnipam水凝膠2中長條形底面5的長度l為1.5mm，厚度h1為20μm，超微細加熱網(wǎng)3的底邊與pnipam水凝膠2中長條形底面5的底邊間距h2為7.5μm，超微細加熱網(wǎng)3的厚度h3為6.5μm，目數(shù)為6000，孔徑為2.5μm，paam水凝膠ⅰ1和paam水凝膠ⅱ4對pnipam水凝膠2的涂敷厚度h4為6μm。設(shè)定三角形溝槽的高度值h為65μm，溝槽的寬度值s為80μm，相鄰三角形間隔f為125μm。所述的三明治結(jié)構(gòu)的智能水凝膠材料減阻表面減阻率為10.05％。

實施例3：當(dāng)航速為20.58m/s，即雷諾數(shù)為8.92×10⁷時，通過電源將超微細加熱網(wǎng)3升溫至34℃，此時減阻表面微結(jié)構(gòu)尺寸為：pnipam水凝膠2中長條形底面5的長度l為1mm，厚度h1為15μm，超微細加熱網(wǎng)3的底邊與pnipam水凝膠2中長條形底面5的底邊間距h2為5μm，超微細加熱網(wǎng)3的厚度h3為5μm，目數(shù)為6000，孔徑為2.5μm，paam水凝膠ⅰ1和paam水凝膠ⅱ4對pnipam水凝膠2的涂敷厚度h4為5μm。設(shè)定三角形溝槽的高度值h為20μm，溝槽的寬度值s為30μm，相鄰三角形間隔f為50μm。所述的三明治結(jié)構(gòu)的智能水凝膠材料減阻表面減阻率為6.29％。