[發明專利]一種減阻降噪溝槽貼膜及其制備方法

有效

• 申請號: 201210179250.7
• 申請日: 2012-06-01
• 公開（公告）號: CN102689459A
• 公開（公告）日: 2012-09-26
• 發明（設計）人: 汪家道;豆照良;陳大融
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: B32B3/30
• 分類號: B32B3/30;B32B27/06
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及一種減阻降噪溝槽貼膜及其制備方法，可用于降低在空氣介質中運動的航行體的表面摩擦阻力和氣動噪聲，屬于機械工程表面處理技術與流體動力學技術領域。

背景技術

飛機、高速列車等在空氣介質中運行的高速航行體，其主要能耗是用來克服航行過程中的空氣阻力，該阻力主要由表面摩擦阻力和壓差阻力等組成，其中摩擦阻力占較大份額；此外，表面摩擦阻力的出現，還會引起氣動噪聲等問題。因此，減小航行體在行進過程中的摩擦阻力，不僅有助于提高航行體的航速和航程，節約能源消耗，還可有效降低航行體行進過程中的氣動噪聲。

隨著航空工業的不斷發展以及能源短缺問題的日益突出，對減小飛機阻力問題的研究變得尤為迫切。截止目前，已形成氣動外形優化、表面修形等多種減阻技術手段。其中，表面修形技術可在不改變飛機外形結構和氣動布局的情況下減小飛機阻力，且使用方便、維護簡單，極具發展前景。

溝槽貼膜減阻技術，是近年來表面修形減阻技術研究中提出的一個新概念，已逐漸發展成為一種獨特的氣動減阻措施。所謂減阻貼膜是一種特殊的塑料薄膜，其表面帶有無數條微細溝槽，底面帶有膠層，根據空氣動力學的要求將其貼敷于飛機外表面的有關部位，從而起到減小阻力的效果。

美國3M公司曾花費多年時間研發溝槽貼膜減阻技術，并為多個研究機構和航空公司提供不同規格的減阻貼膜，用于試驗研究及飛行試驗應用。當前，該減阻方法仍沿用順流向溝槽減阻理論與技術，即所制備的微細溝槽是沿流向方向均勻分布的，其理論核心是通過使層流到紊流的轉捩點后移來降低摩擦阻力。理論計算與試驗結果表明，順流向溝槽減阻技術的最大減阻率為8％。歐洲空客公司在A320試驗機上的驗證結果表明，順流向溝槽貼膜可節油1％～2％，實際減阻節能效果十分有限。

高速鐵路在發展過程中，同樣面臨著減阻問題。減少空氣阻力已成為高速列車研制過程中急需開展攻關的關鍵問題之一。這一關鍵問題直接影響到高速列車研制進度、運行的安全性、舒適性、環保性與經濟性。目前，相關研究機構主要考慮并嘗試以高速列車頭型優化設計和車體外露部件優化等措施來減小高速列車運行時的空氣阻力。上述技術手段雖可在一定程度上降低高速列車在空氣介質中運行時的壓差阻力，但無法有效減小占據較大份額的表面摩擦阻力。因此，若能通過溝槽貼膜等表面修形技術，改善車體表面的近壁面流場特性，進而減小固/氣壁面剪切所造成的表面摩擦阻力，則可在現有減阻措施的基礎上進一步優化高速列車的氣動性能，有效降低其運行過程中的空氣阻力和氣動噪聲。

發明內容

本發明的目的在于針對現有技術的不足，提供一種減阻降噪溝槽貼膜及其制備方法。該溝槽貼膜可在不改變航行體外形結構的情況下，有效減小航行體進行時的表面摩擦阻力，有利于提高航行體的航速和航程，降低能源消耗；此外，采用溝槽貼膜技術在減小表面摩擦阻力的同時，還可有效抑制氣動噪聲。該溝槽貼膜技術，不僅具有減阻降噪的效果，還易于工程實現，有望用于解決飛機、高速列車等高速航行體在運行過程的空氣阻力問題與氣動噪聲問題。

本發明的技術方案如下：

一種具有減阻降噪效果的展向溝槽貼膜，其特征在于：該溝槽貼膜由上表面帶有三角形溝槽形貌單元的聚合物薄膜表層(1)、中間膠層(2)和防粘底層(3)等三部分組成，如圖1所示。

進一步地，帶有三角形溝槽形貌單元的聚合物薄膜表層(1)，其特征在于三角形溝槽形貌單元在聚合物薄膜表層沿垂直于流向方向等間距均勻分布。如圖2所示，溝槽深度h為10～50μm，三角形溝槽頂角α的范圍為60°～120°，溝槽形貌單元的周期λ為30～530μm。

本發明中展向溝槽貼膜的有益效果是：根據空氣動力學的要求，將所述的展向溝槽貼膜貼敷于在空氣介質中運動的航行體表面，可以顯著改善固/氣界面的近壁面流場特性，有效降低航行體進行時中的表面摩擦阻力。此外，固/氣界面強烈的空氣剪切是航行體高速運行時壁面噪聲產生的重要原因，通過壁面展向溝槽，在溝槽內形成微漩渦流動，實現近壁面空氣流動與溝槽內微漩渦能量的有效傳遞，還可以有效降低固/氣界面空氣剪切作用的強度，進而降低航行體高速運行時壁面產生的氣動噪音。

此外，本發明還提供了一種制備所述的展向溝槽貼膜的方法，其特征在于該方法按如下步驟進行：

(1)、采用機械加工或激光加工等工藝，在金屬輥表面加工出具有特定幾何尺寸的、等間距分布的三角形突起形貌單元，制成形貌輥，如圖3所示。